基础科学研究所 对WCA的宏观观察表明，增加石墨烯层数会导致更高的WCA，这暗示了多层石墨烯的疏水性
学分:基础科学研究所 石墨烯是一种二维材料，其中碳原子以六边形结构排列，它具有独特的物理和化学性质，如亚纳米厚度、化学稳定性、机械柔性、导电性和导热性、光学透明性和对水的选择性渗透性
由于这些性质，石墨烯在透明电极、脱盐、电能存储和催化剂中的各种应用已经被大力研究
因为石墨烯是一种非常薄的材料，在实际应用中，它必须沉积在其他作为基底的材料上
具有重大科学意义的研究课题之一是基底上的石墨烯如何与水相互作用
润湿性是界面水保持与固体表面接触的能力，它取决于材料的疏水性
与大多数材料不同，石墨烯的润湿性因基底类型而异
更具体地说，基底的润湿性受其表面上单个石墨烯层的影响很小
石墨烯的这种特殊润湿性被称为“润湿透明性”，因为石墨烯-水界面的润湿特性对通过薄石墨烯的基底-水相互作用几乎没有影响
已经有许多水接触角(WCA)测量来研究石墨烯在各种类型的基底上的润湿性
WCA是测量材料疏水性的常用方法，因为水滴和材料之间的接触角随着材料变得更疏水而增加
这些研究表明，虽然石墨烯单层的润湿性明显透明，但随着层数的增加，石墨烯变得越来越疏水
然而，WCA测量只能提供石墨烯-水界面的宏观性质的信息，并且不能给出石墨烯-水界面处的界面水的详细图像
根据WCA的宏观观察，计算的垂直梯度润湿性相对于粘附能作图
这两个值非常接近，表明随着石墨烯层数的增加，疏水性增加
学分:基础科学研究所 此外，诸如拉曼光谱或基于反射的红外光谱等通常用于测量微观性质的其他技术，对于选择性地观察界面水分子是没有用的
这是因为界面水分子的振动光谱信号被大量水的巨大信号完全掩盖了
因此，石墨烯研究领域缺乏分子水平的研究并不完全令人惊讶
最近，韩国首尔基础科学研究所分子光谱学和动力学中心(CMSD)和韩国大学的一个研究小组揭示了石墨烯润湿性的起源
该团队使用一种叫做“振动和频产生光谱”的技术成功地观察到了石墨烯-水界面上水分子的氢键结构
VSFG是一种二阶非线性光谱学，可用于选择性地分析中心对称性被破坏的分子
这是研究水分子在石墨烯界面的行为和结构的理想方法，因为大块液体中的水分子由于其分子取向的各向同性分布而不可见
研究小组观察了覆盖在氟化钙(CaF2)基底上的多层石墨烯上水分子的VSFG光谱
他们能够追踪水分子氢键结构的变化
当存在四层或更多层石墨烯时，在VFSG光谱中开始出现约3600cm-1的特征峰
该峰对应于带有悬挂羟基的水分子，该悬挂羟基不与相邻的水分子形成氢键，这是通常在疏水界面上发现的水的特征
这个结果是第一次观察到水-石墨烯界面上的水的分子水平结构
水与单层石墨烯的界面(左)由四个氢键的水分子(红色)和两个氢键的水分子(绿色)组成
随着石墨烯层数的增加，强氢键水分子的数量减少，弱氢键水分子的数量增加
IBS的研究人员发现，当石墨烯堆叠到四层时，多层石墨烯薄膜的表面变得疏水，这导致带有悬空羟基的水分子数量增加
学分:基础科学研究所 此外，研究人员将他们可以从测量的光谱中计算出的表面润湿性值与与测量的表面润湿性相关的估计粘附能量进行了比较
他们发现这两种属性彼此高度相关
这一观察表明，垂直梯度功能梯度可以成为在分子水平上研究二维材料润湿性的有力工具
它还显示了使用垂直梯度功能作为测量水在埋地表面上的附着能的替代方法的可能性，其中测量水接触角是困难的或者甚至是不可能的
第一和第二作者金东万和金恩昌金指出:“这项研究是第一个在分子水平上描述石墨烯表面疏水性增加的案例，这取决于石墨烯层的数量，”“振动和频产生光谱可以用作理解任何功能性二维材料特性的通用工具
" 教授
CMSD董事赵敏海指出:“对于石墨烯用于水溶液的应用，界面的疏水性是决定石墨烯层在各种应用中效率的关键因素之一
该研究有望为未来石墨烯基器件的优化设计提供基础科学知识
"
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