测量石墨烯和其他二维材料的润湿性

材料的润湿性是液体与固体表面保持接触的能力，与亲水性成正比，与疏水性成反比。它是固体最重要的特性之一，了解不同基材的润湿性对于各种工业用途至关重要，例如脱盐、涂层剂和水电解质。

迄今为止，对基材润湿性的研究主要是在宏观层面进行测量。润湿性的宏观测量通常通过测量水接触角(WCA)来确定，该接触角是水滴相对于基材表面形成的角度。然而，目前很难在分子水平上准确测量底物和水之间的界面发生的情况。

目前使用的显微测量技术，例如基于反射的红外光谱或拉曼光谱，无法选择性地观察界面水分子。由于整个液体中的水分子数量远大于与表面接触的分子，因此界面水分子的信号被主体液体中的水分子信号所掩盖。

为了克服这一限制，韩国首尔基础科学研究所(IBS)分子光谱与动力学中心(CMSD)和高丽大学的一个研究小组发现，振动和频发生光谱(VSFG)可以用于测量二维材料的润湿性。该团队使用VSFG光谱成功地测量了石墨烯和水界面中水分子的振动模式。

VSFG是一种有用的技术，可以将宏观测量结果与分子水平的特性联系起来。它是一种使用自己的表面选择规则研究界面分子的表面选择工具，它具有非常好的表面分辨率，只有几个分子层。

该小组确定了石墨烯将基板的润湿性投射到其表面的独特能力，这被称为“润湿透明度”。他们观察到石墨烯的润湿透明度随着石墨烯层数的增加而降低，当石墨烯超过四层厚时消失。这是第一个描述石墨烯表面在分子水平上超过一定数量的层变得疏水的观察结果。

此外，研究人员还定义了VSFG润湿性的新概念，即形成强氢键的水分子与形成弱氢键或不形成氢键的水分子的比率。VSFG润湿性与粘附能密切相关，粘附能是根据观察到的宏观WCA测量值计算得出的。这证明VSFG是定义材料表面润湿性的有效工具。

使用VSFG润湿性，研究人员实时测量了石墨烯的润湿性，因为对其施加电场以形成氧化石墨烯。传统的WCA实验无法实时观察润湿性。因此，这表明VSFG可能是一种决定性的技术，用于测量无法应用水接触角测量的任何空间受限界面上的水粘附能。除了石墨烯，VSFG光谱有望揭示其他低维材料的润湿性。

第一作者EunchanKim指出：“这项研究证实了VSFG光谱可以用作测量润湿性的通用工具”，并且“我们展示了通过VSFG光谱测量以前无法观察到的复杂系统的润湿性的潜力。”

CMSD主任CHOMinhaeng教授指出：“通过VSFG光谱，我们正在研究石墨烯以及其他二维功能材料(如氧化石墨烯和六方氮化硼)的微观性质”，“通过这个，它将可以解决阻碍二维功能材料商业化的各种问题。”

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