A molhabilidade de um material é a capacidade de um líquido manter contato com uma superfície sólida, e é proporcional à hidrofilicidade e inversamente proporcional à hidrofobicidade. É uma das propriedades mais importantes de um sólido, e entender a molhabilidade de diferentes substratos é essencial para vários usos industriais, como dessalinização, agentes de revestimento e eletrólitos de água.
Até agora, os estudos sobre a molhabilidade de substratos foram medidos principalmente em nível macroscópico. A medição macroscópica da molhabilidade é tipicamente determinada pela medição do ângulo de contato com a água (WCA), que é o ângulo que uma gota de água faz em relação à superfície do substrato. No entanto, atualmente é muito difícil medir com precisão o que acontece na interface entre um substrato e a água no nível molecular.

As técnicas de medição microscópicas atualmente utilizadas, como a espectroscopia infravermelha baseada em reflexão ou a espectroscopia Raman, são incapazes de observar seletivamente as moléculas de água interfaciais. Como o número de moléculas de água em todo o volume do líquido é muito maior do que as moléculas que estão em contato com a superfície, o sinal das moléculas de água interfaciais é obscurecido pelo sinal das moléculas de água no volume do líquido.

Para superar essa limitação, uma equipe de pesquisa do Centro de Espectroscopia Molecular e Dinâmica (CMSD) dentro do Instituto de Ciências Básicas (IBS) em Seul, Coréia do Sul, e a Universidade da Coréia revelaram que a espectroscopia de geração de frequência de soma vibracional (VSFG) poderia ser usado para medir a molhabilidade de materiais 2D. A equipe conseguiu medir o modo vibracional das moléculas de água nas interfaces entre o grafeno e a água usando a espectroscopia VSFG.

VSFG é uma técnica útil que pode conectar os resultados de medição macroscópica com propriedades de nível molecular. É uma ferramenta de seleção de superfície para investigar moléculas interfaciais usando sua própria regra de seleção de superfície e tem uma resolução de superfície muito boa com algumas camadas moleculares.

O grupo identificou a capacidade única do grafeno de projetar a molhabilidade do substrato em sua superfície, o que é chamado de "transparência de molhagem". Eles observaram que a transparência de umedecimento do grafeno diminui à medida que o número de camadas de grafeno aumenta, desaparecendo quando o grafeno tem mais de quatro camadas de espessura. Esta é a primeira observação a descrever que a superfície do grafeno se torna hidrofóbica acima de um certo número de camadas no nível molecular.

Além disso, os pesquisadores definiram o novo conceito de molhabilidade do VSFG, que é a proporção de moléculas de água formando fortes ligações de hidrogênio contra moléculas de água com fraca ou nenhuma formação de ligação de hidrogênio. A molhabilidade do VSFG correlacionou-se fortemente com a energia de adesão, que é calculada a partir das medições macroscópicas de WCA observadas. Isso provou que o VSFG é uma ferramenta eficaz para definir a molhabilidade da superfície de um material.

Usando a molhabilidade do VSFG, os pesquisadores mediram a molhabilidade do grafeno em tempo real, pois um campo elétrico foi aplicado para formar o óxido de grafeno. É impossível observar a molhabilidade em tempo real com os experimentos tradicionais do WCA. Portanto, isso sugere que o VSFG pode ser uma técnica decisiva para medir a energia de adesão da água em qualquer interface espacialmente confinada onde a medição do ângulo de contato da água não pode ser aplicada. Além do grafeno, espera-se que a espectroscopia VSFG esclareça a molhabilidade de outros materiais de baixa dimensão.

O primeiro autor Eunchan Kim observa:"Este estudo confirmou que a espectroscopia VSFG pode ser usada como uma ferramenta versátil para medir a molhabilidade" e "Demonstramos o potencial de medir a molhabilidade de sistemas complexos anteriormente não observáveis ​​por meio da espectroscopia VSFG".

O professor CHO Minhaeng, diretor do CMSD, observa:"Com a espectroscopia VSFG, estamos estudando as propriedades microscópicas do grafeno, bem como de outros materiais funcionais bidimensionais, como óxido de grafeno e nitreto de boro hexagonal", e "Através disso, será possível resolver vários problemas que dificultam a comercialização de materiais funcionais bidimensionais."

Esta pesquisa foi publicada na edição online de Chem em 26 de abril. + Explorar mais

Identificação da molhabilidade das camadas de grafeno no nível molecular