Medición de la "mojabilidad" del grafeno y otros materiales 2D
La comprensión microscópica de la humectabilidad puede lograrse a nivel molecular mediante la "espectroscopia de generación de frecuencias de suma vibracional".
La humectabilidad del material es la capacidad de un líquido para mantener el contacto con una superficie sólida, y es proporcional a la hidrofilia e inversamente proporcional a la hidrofobicidad. Es una de las propiedades más importantes de un sólido, y comprender la humectabilidad de diferentes sustratos es esencial para varios usos industriales, como la desalinización, los agentes de recubrimiento y los electrolitos de agua.
Las mediciones del ángulo de contacto con el agua del grafeno proporcionan información sobre la humectabilidad macroscópica. Por otro lado, el experimento VSFG puede proporcionar información sobre la estructura microscópica del agua interfacial y la mojabilidad del grafeno.
Institute for Basic Science
Hasta ahora, los estudios sobre la humectabilidad de los sustratos se han medido principalmente a nivel macroscópico. La medición macroscópica de la humectabilidad se suele determinar midiendo el ángulo de contacto con el agua (WCA), que es el ángulo que forma una gota de agua con respecto a la superficie del sustrato. Sin embargo, actualmente es muy difícil medir con precisión lo que ocurre en la interfaz entre un sustrato y el agua a nivel molecular.
Las técnicas de medición microscópica utilizadas actualmente, como la espectroscopia infrarroja basada en la reflexión o la espectroscopia Raman, son incapaces de observar selectivamente las moléculas de agua interfacial. Dado que el número de moléculas de agua en todo el volumen del líquido es mucho mayor que el de las moléculas que están en contacto con la superficie, la señal de las moléculas de agua interfacial queda oscurecida por la señal de las moléculas de agua en el volumen del líquido.
Para superar esta limitación, un equipo de investigación del Centro de Espectroscopia y Dinámica Molecular (CMSD) del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) de Seúl (Corea del Sur) y de la Universidad de Corea reveló que la espectroscopia vibracional de generación de frecuencias totales (VSFG) podía utilizarse para medir la humectabilidad de los materiales 2D. El equipo consiguió medir el modo vibracional de las moléculas de agua en las interfaces entre el grafeno y el agua mediante la espectroscopia VSFG.
La VSFG es una técnica útil que puede conectar los resultados de las mediciones macroscópicas con las propiedades a nivel molecular. Es una herramienta selectiva de superficie para investigar las moléculas interfaciales utilizando su propia regla de selección de superficie, y tiene una muy buena resolución de superficie con unas pocas capas moleculares.
El grupo identificó la capacidad única del grafeno de proyectar la humectabilidad del sustrato en su superficie, lo que se denomina "transparencia de humectación". Observaron que la transparencia de humectación del grafeno disminuye a medida que aumenta el número de capas de grafeno, desapareciendo cuando el grafeno tiene más de 4 capas de espesor. Se trata de la primera observación que describe que la superficie del grafeno se vuelve hidrofóbica a partir de un determinado número de capas a nivel molecular.
Además, los investigadores definieron el nuevo concepto de humectabilidad VSFG, que es la relación entre las moléculas de agua que forman fuertes enlaces de hidrógeno y las moléculas de agua con formación de enlaces de hidrógeno débiles o nulos. La humectabilidad del VSFG se correlacionó fuertemente con la energía de adhesión, que se calcula a partir de las mediciones macroscópicas del WCA. Esto demostró que el VSFG es una herramienta eficaz para definir la humectabilidad de la superficie de un material.
Gracias a la humectabilidad VSFG, los investigadores midieron la humectabilidad del grafeno en tiempo real, mientras se aplicaba un campo eléctrico para que formara óxido de grafeno. Es imposible observar la humectabilidad en tiempo real con los experimentos tradicionales de WCA. Por lo tanto, esto sugiere que la VSFG podría ser una técnica decisiva para medir la energía de adhesión del agua en cualquier interfaz espacialmente confinada en la que no se pueda aplicar la medición del ángulo de contacto del agua. Además del grafeno, se espera que la espectroscopia VSFG arroje luz sobre la humectabilidad de otros materiales de baja dimensión.
El primer autor, Eunchan Kim, señala: "Este estudio confirma que la espectroscopia VSFG puede utilizarse como una herramienta versátil para medir la mojabilidad", y "Demostramos el potencial para medir la mojabilidad de sistemas complejos previamente inobservables mediante la espectroscopia VSFG".
El profesor CHO Minhaeng, director del CMSD, señala: "Con la espectroscopia VSFG, estamos estudiando las propiedades microscópicas del grafeno, así como de otros materiales funcionales bidimensionales, como el óxido de grafeno y el nitruro de boro hexagonal", y "Gracias a ello, será posible resolver diversos problemas que dificultan la comercialización de los materiales funcionales bidimensionales."
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