Mesurer la "mouillabilité" du graphène et d'autres matériaux 2D
La compréhension microscopique de la mouillabilité peut être obtenue au niveau moléculaire grâce à la "spectroscopie vibrationnelle par génération de somme de fréquences".
La mouillabilité du matériau est la capacité d'un liquide à maintenir le contact avec une surface solide, et elle est proportionnelle à l'hydrophilie et inversement proportionnelle à l'hydrophobie. C'est l'une des propriétés les plus importantes d'un solide, et la compréhension de la mouillabilité de différents substrats est essentielle pour diverses utilisations industrielles, telles que le dessalement, les agents de revêtement et les électrolytes de l'eau.
Les mesures de l'angle de contact avec l'eau du graphène donnent des informations sur la mouillabilité macroscopique. D'autre part, l'expérience VSFG peut fournir des informations sur la structure microscopique de l'eau interfaciale et la mouillabilité du graphène.
Institute for Basic Science
Jusqu'à présent, les études sur la mouillabilité des substrats ont principalement été mesurées au niveau macroscopique. La mesure macroscopique de la mouillabilité est généralement déterminée en mesurant l'angle de contact avec l'eau (WCA), qui est l'angle que fait une goutte d'eau par rapport à la surface du substrat. Cependant, il est actuellement très difficile de mesurer avec précision ce qui se passe à l'interface entre un substrat et l'eau au niveau moléculaire.
Les techniques de mesure microscopiques actuellement utilisées, telles que la spectroscopie infrarouge par réflexion ou la spectroscopie Raman, sont incapables d'observer sélectivement les molécules d'eau interfaciales. Étant donné que le nombre de molécules d'eau dans l'ensemble du liquide est beaucoup plus important que celui des molécules qui entrent en contact avec la surface, le signal des molécules d'eau interfaciales est masqué par le signal des molécules d'eau dans l'ensemble du liquide.
Pour surmonter cette limitation, une équipe de recherche du Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) de l'Institute for Basic Science (IBS) de Séoul, en Corée du Sud, et de l'Université de Corée a révélé que la spectroscopie vibrationnelle par génération de fréquences totales (VSFG) pouvait être utilisée pour mesurer la mouillabilité des matériaux 2D. L'équipe a réussi à mesurer le mode vibratoire des molécules d'eau dans les interfaces entre le graphène et l'eau en utilisant la spectroscopie VSFG.
La VSFG est une technique utile qui permet de relier les résultats de mesures macroscopiques aux propriétés au niveau moléculaire. Il s'agit d'un outil sélectif de surface permettant d'étudier les molécules interfaciales en utilisant sa propre règle de sélection de surface, et il présente une très bonne résolution de surface avec quelques couches moléculaires.
Le groupe a identifié la capacité unique du graphène à projeter la mouillabilité du substrat sur sa surface, appelée "transparence de mouillage". Ils ont observé que la transparence de mouillage du graphène diminue au fur et à mesure que le nombre de couches de graphène augmente, pour disparaître lorsque l'épaisseur du graphène dépasse 4 couches. Il s'agit de la première observation décrivant que la surface du graphène devient hydrophobe au-delà d'un certain nombre de couches au niveau moléculaire.
Les chercheurs ont également défini le nouveau concept de mouillabilité VSFG, qui est le rapport entre les molécules d'eau formant des liaisons hydrogène fortes et les molécules d'eau ayant une liaison hydrogène faible ou nulle. La mouillabilité du VSFG est fortement corrélée à l'énergie d'adhésion, qui est calculée à partir des mesures macroscopiques de l'AOC. Cela prouve que le VSFG est un outil efficace pour définir la mouillabilité de la surface d'un matériau.
En utilisant la mouillabilité VSFG, les chercheurs ont mesuré la mouillabilité du graphène en temps réel, alors qu'un champ électrique était appliqué pour qu'il forme de l'oxyde de graphène. Il est impossible d'observer la mouillabilité en temps réel avec les expériences traditionnelles de l'AOC. Par conséquent, cela suggère que le VSFG pourrait être une technique décisive pour mesurer l'énergie d'adhésion de l'eau sur toute interface spatialement confinée où la mesure de l'angle de contact de l'eau ne peut être appliquée. Outre le graphène, la spectroscopie VSFG devrait permettre de faire la lumière sur la mouillabilité d'autres matériaux de faible dimension.
Le premier auteur, Eunchan Kim, note : "Cette étude a confirmé que la spectroscopie VSFG pouvait être utilisée comme un outil polyvalent pour mesurer la mouillabilité", et "Nous démontrons la possibilité de mesurer la mouillabilité de systèmes complexes auparavant inobservables grâce à la spectroscopie VSFG".
Le professeur CHO Minhaeng, directeur de la CMSD, note : "Avec la spectroscopie VSFG, nous étudions les propriétés microscopiques du graphène ainsi que d'autres matériaux fonctionnels bidimensionnels tels que l'oxyde de graphène et le nitrure de bore hexagonal.", et "Grâce à cela, il sera possible de résoudre divers problèmes qui entravent la commercialisation des matériaux fonctionnels bidimensionnels."
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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