p O grafeno é um material bidimensional em que os átomos de carbono estão dispostos em estruturas hexagonais, e tem propriedades físicas e químicas únicas, como espessura sub-nanométrica, estabilidade química, flexibilidade mecânica, condutividade elétrica e térmica, transparência ótica, e permeabilidade seletiva à água. Devido a essas propriedades, várias aplicações de grafeno em eletrodos transparentes, dessalinização, armazenamento de energia elétrica, e os catalisadores foram vigorosamente estudados. p Como o grafeno é um material extremamente fino, para usos práticos, tem que ser depositado sobre outros materiais que servem de substrato. Um dos temas de pesquisa de grande interesse científico é como o grafeno em um substrato interage com a água. A molhabilidade é a capacidade da água interfacial de manter contato com uma superfície sólida, e depende da hidrofobicidade do material. Ao contrário da maioria dos materiais, a molhabilidade do grafeno varia dependendo do tipo de substrato. Mais especificamente, a molhabilidade do substrato é fracamente afetada pela presença de uma única camada de grafeno em sua superfície. Essa capacidade de umedecimento peculiar do grafeno foi descrita pelo termo "transparência de umedecimento" porque as propriedades de umedecimento na interface grafeno-água têm pouco efeito na interação substrato-água através do grafeno fino.

p Tem havido inúmeras medições do ângulo de contato com a água (WCA) para estudar a molhabilidade do grafeno em vários tipos de substratos. WCA é um método comumente usado para medir a hidrofobicidade do material, uma vez que o ângulo de contato entre a gota de água e o material aumenta à medida que o material se torna mais hidrofóbico. Esses estudos sugeriram que, embora a molhabilidade da monocamada de grafeno seja notavelmente transparente, o grafeno torna-se cada vez mais hidrofóbico conforme o número de camadas aumenta. Contudo, A medição WCA só pode fornecer informações sobre as propriedades macroscópicas da interface grafeno-água, e não pode dar uma imagem detalhada da água interfacial na interface grafeno-água.

p Além disso, outras técnicas, como espectroscopia Raman ou espectroscopia infravermelha baseada em reflexão, que têm sido comumente usados ​​para medir propriedades microscópicas, não são úteis para observar seletivamente as moléculas de água interfaciais. Isso ocorre porque o sinal espectroscópico vibracional das moléculas de água interfaciais é completamente mascarado pelo grande sinal da água em massa. Como resultado, não é totalmente surpreendente que tenha havido uma escassez de estudos em nível molecular nesta área de pesquisa do grafeno.

p Recentemente, uma equipe de pesquisa do Centro de Espectroscopia e Dinâmica Molecular (CMSD) do Instituto de Ciências Básicas (IBS) em Seul, A Coreia do Sul e a Universidade da Coreia revelaram a origem da molhabilidade do grafeno. A equipe conseguiu observar a estrutura das ligações de hidrogênio das moléculas de água em interfaces de grafeno-água usando uma técnica chamada 'espectroscopia de geração de frequência de soma vibracional (VSFG)'. VSFG é uma espectroscopia não linear de segunda ordem que pode ser usada para analisar seletivamente moléculas com centrosimetria quebrada. É um método ideal para estudar o comportamento e as estruturas das moléculas de água na interface do grafeno, uma vez que as moléculas de água no líquido a granel não são visíveis devido à sua distribuição isotrópica de orientações moleculares.

p A equipe de pesquisa observou o espectro VSFG de moléculas de água em um grafeno multicamadas cobrindo um fluoreto de cálcio (CaF ₂ ) substrato. Eles foram capazes de rastrear mudanças na estrutura das ligações de hidrogênio das moléculas de água. Quando havia quatro ou mais camadas de grafeno, um pico característico em ~ 3, 600 cm-1 começaram a aparecer nos espectros VFSG. Este pico corresponde às moléculas de água com os grupos -OH oscilantes que não formam ligações de hidrogênio com as moléculas de água vizinhas, que é uma característica que tem sido comumente encontrada para água na interface hidrofóbica. Este resultado é a primeira observação que mostra a estrutura em nível molecular da água na interface água-grafeno.

p Além disso, os pesquisadores compararam o valor de molhabilidade VSFG que eles poderiam calcular a partir dos espectros medidos com a energia de adesão estimada que está relacionada aos WCAs medidos. Eles descobriram que ambas as propriedades são altamente correlacionadas entre si. Esta observação sugere que o VSFG pode ser uma ferramenta incisiva para estudar a molhabilidade de materiais bidimensionais a nível molecular. Ele também mostrou a possibilidade de usar VSFG como uma alternativa para medir a energia de adesão da água em superfícies enterradas, onde medir o ângulo de contato com a água é difícil ou mesmo impossível.

p O primeiro e o segundo autores Kim Donghwan e KIM Eunchan Kim observam:"Este estudo é o primeiro caso que descreve o aumento da hidrofobia da superfície de grafeno em um nível molecular dependendo do número de camadas de grafeno, "e" A espectroscopia de geração de frequência de soma vibracional pode ser usada como uma ferramenta versátil para compreender as propriedades de quaisquer materiais bidimensionais funcionais. "

p Prof. Cho Minhaeng, o Diretor do CMSD, notas:"Para aplicações onde o grafeno é utilizado em solução aquosa, a hidrofobicidade da interface é um dos fatores-chave na determinação da eficiência das camadas de grafeno para várias aplicações. Espera-se que esta pesquisa forneça conhecimento científico básico para um projeto ideal de dispositivos baseados em grafeno no futuro. "