Messung der "Benetzbarkeit" von Graphen und anderen 2D-Materialien

Ein mikroskopisches Verständnis der Benetzbarkeit kann auf molekularer Ebene mit Hilfe der "Schwingungssummenfrequenz-Spektroskopie" erreicht werden

28.04.2022 - Korea, Rep.

Die Benetzbarkeit eines Materials ist die Fähigkeit einer Flüssigkeit, den Kontakt mit einer festen Oberfläche aufrechtzuerhalten, und sie ist proportional zur Hydrophilie und umgekehrt proportional zur Hydrophobie. Sie ist eine der wichtigsten Eigenschaften eines Festkörpers, und das Verständnis der Benetzbarkeit verschiedener Substrate ist für verschiedene industrielle Anwendungen wie Entsalzung, Beschichtungsmittel und Wasserelektrolyte unerlässlich.

Bislang wurden Studien zur Benetzbarkeit von Substraten hauptsächlich auf makroskopischer Ebene durchgeführt. Die makroskopische Messung der Benetzbarkeit erfolgt in der Regel durch Messung des Wasserkontaktwinkels (WCA), d. h. des Winkels, den ein Wassertropfen mit der Oberfläche des Substrats bildet. Derzeit ist es jedoch sehr schwierig, genau zu messen, was an der Grenzfläche zwischen einem Substrat und Wasser auf molekularer Ebene geschieht.

Die derzeit verwendeten mikroskopischen Messverfahren, wie die Infrarot-Spektroskopie auf Reflexionsbasis oder die Raman-Spektroskopie, sind nicht in der Lage, die Wassermoleküle an der Grenzfläche selektiv zu beobachten. Da die Anzahl der Wassermoleküle in der gesamten Flüssigkeitsmasse viel größer ist als die der Moleküle, die mit der Oberfläche in Kontakt stehen, wird das Signal der Grenzflächenwassermoleküle durch das Signal der Wassermoleküle in der Flüssigkeitsmasse verdeckt.

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Um diese Einschränkung zu überwinden, hat ein Forschungsteam am Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) des Institute for Basic Science (IBS) in Seoul, Südkorea, und der Korea University herausgefunden, dass die Summenfrequenzspektroskopie (vibrational sum-frequency generation spectroscopy, VSFG) zur Messung der Benetzbarkeit von 2D-Materialien verwendet werden kann. Dem Team gelang es, die Schwingungsmode von Wassermolekülen in Grenzflächen zwischen Graphen und Wasser mit Hilfe der VSFG-Spektroskopie zu messen.

VSFG ist eine nützliche Technik, die die makroskopischen Messergebnisse mit den Eigenschaften auf molekularer Ebene verbinden kann. Sie ist ein oberflächenselektives Werkzeug zur Untersuchung von Grenzflächenmolekülen mit einer eigenen Oberflächenauswahlregel und hat eine sehr gute Oberflächenauflösung mit wenigen Molekülschichten.

Die Gruppe entdeckte die einzigartige Fähigkeit von Graphen, die Benetzbarkeit des Substrats auf seine Oberfläche zu projizieren, was als "Benetzungstransparenz" bezeichnet wird. Sie beobachteten, dass die Benetzungstransparenz von Graphen mit zunehmender Anzahl von Graphenschichten abnimmt und bei einer Schichtdicke von mehr als vier Schichten verschwindet. Dies ist die erste Beobachtung, die beschreibt, dass eine Graphenoberfläche ab einer bestimmten Anzahl von Schichten auf molekularer Ebene hydrophob wird.

Außerdem definierten die Forscher das neue Konzept der VSFG-Benetzbarkeit, das das Verhältnis von Wassermolekülen, die starke Wasserstoffbrückenbindungen bilden, zu Wassermolekülen mit schwacher oder keiner Wasserstoffbrückenbindung beschreibt. Die VSFG-Benetzbarkeit korrelierte stark mit der Adhäsionsenergie, die aus den beobachteten makroskopischen WCA-Messungen berechnet wird. Dies beweist, dass die VSFG ein wirksames Instrument zur Bestimmung der Benetzbarkeit der Oberfläche eines Materials ist.

Mit Hilfe der VSFG-Benetzbarkeit haben die Forscher die Benetzbarkeit von Graphen in Echtzeit gemessen, während ein elektrisches Feld angelegt wurde, um Graphenoxid zu bilden. Mit den herkömmlichen WCA-Experimenten ist es unmöglich, die Benetzbarkeit in Echtzeit zu beobachten. Dies deutet darauf hin, dass die VSFG eine entscheidende Technik zur Messung der Wasseradhäsionsenergie an jeder räumlich begrenzten Grenzfläche sein könnte, an der die Messung des Wasserkontaktwinkels nicht möglich ist. Es wird erwartet, dass die VSFG-Spektroskopie nicht nur Graphen, sondern auch die Benetzbarkeit anderer niedrigdimensionaler Materialien erhellen kann.

Erstautor Eunchan Kim merkt an: "Diese Studie bestätigt, dass die VSFG-Spektroskopie als vielseitiges Werkzeug zur Messung der Benetzbarkeit eingesetzt werden kann", und "Wir demonstrieren das Potenzial, die Benetzbarkeit von bisher unbeobachteten komplexen Systemen durch VSFG-Spektroskopie zu messen."

Professor CHO Minhaeng, der Direktor des CMSD, merkt an: "Mit der VSFG-Spektroskopie untersuchen wir die mikroskopischen Eigenschaften von Graphen sowie anderer zweidimensionaler Funktionsmaterialien wie Graphenoxid und hexagonales Bornitrid", und "Dadurch wird es möglich sein, verschiedene Probleme zu lösen, die die Kommerzialisierung zweidimensionaler Funktionsmaterialien behindern."

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