Le graphène est un matériau bidimensionnel dans lequel les atomes de carbone sont disposés en structures hexagonales, et il a des propriétés physiques et chimiques uniques telles que l'épaisseur sous-nanométrique, stabilité chimique, flexibilité mécanique, conductivité électrique et thermique, transparence optique, et la perméabilité sélective à l'eau. En raison de ces propriétés, diverses applications du graphène dans des électrodes transparentes, dessalement, stockage d'énergie électrique, et les catalyseurs ont été vigoureusement étudiés.

Parce que le graphène est un matériau extrêmement fin, pour des usages pratiques, il doit être déposé sur d'autres matériaux qui servent de substrat. L'un des sujets de recherche d'un grand intérêt scientifique est la façon dont le graphène sur un substrat interagit avec l'eau. La mouillabilité est la capacité de l'eau interfaciale à maintenir le contact avec une surface solide, et cela dépend de l'hydrophobie du matériau. Contrairement à la plupart des matériaux, la mouillabilité du graphène varie selon le type de substrat. Plus précisement, la mouillabilité du substrat est faiblement affectée par la présence d'une seule couche de graphène à sa surface. Une telle mouillabilité particulière du graphène a été décrite par le terme « transparence de mouillage » car les propriétés de mouillage à l'interface graphène-eau ont peu d'effet sur l'interaction substrat-eau à travers le graphène mince.

Il y a eu de nombreuses mesures d'angle de contact avec l'eau (WCA) pour étudier la mouillabilité du graphène sur divers types de substrats. WCA est une méthode couramment utilisée pour mesurer l'hydrophobie du matériau puisque l'angle de contact entre la goutte d'eau et le matériau augmente à mesure que le matériau devient plus hydrophobe. Ces études ont laissé entendre que si la mouillabilité de la monocouche de graphène est notamment transparente, le graphène devient de plus en plus hydrophobe à mesure que le nombre de couches augmente. Cependant, La mesure WCA ne peut fournir que des informations sur les propriétés macroscopiques de l'interface graphène-eau, et il ne peut pas donner une image détaillée de l'eau interfaciale à l'interface graphène-eau.

Par ailleurs, d'autres techniques telles que la spectroscopie Raman ou la spectroscopie infrarouge par réflexion, qui ont été couramment utilisés pour mesurer les propriétés microscopiques, ne sont pas utiles pour observer sélectivement les molécules d'eau interfaciales. C'est parce que le signal spectroscopique vibrationnel des molécules d'eau interfaciales est complètement masqué par l'énorme signal de l'eau en vrac. Par conséquent, il n'est pas tout à fait surprenant qu'il y ait eu une pénurie d'études au niveau moléculaire dans ce domaine de la recherche sur le graphène.

Récemment, une équipe de recherche au Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) au sein de l'Institute for Basic Science (IBS) à Séoul, La Corée du Sud et l'Université de Corée ont révélé l'origine de la mouillabilité du graphène. L'équipe a réussi à observer la structure des liaisons hydrogène des molécules d'eau aux interfaces graphène-eau à l'aide d'une technique appelée « spectroscopie de génération de fréquence de somme vibratoire (VSFG) ». VSFG est une spectroscopie non linéaire de second ordre qui peut être utilisée pour analyser sélectivement des molécules avec une centrosymétrie brisée. C'est une méthode idéale pour étudier le comportement et les structures des molécules d'eau à l'interface du graphène puisque les molécules d'eau dans le liquide en vrac ne sont pas visibles en raison de leur distribution isotrope des orientations moléculaires.

L'équipe de recherche a observé les spectres VSFG de molécules d'eau sur un graphène multicouche recouvrant un fluorure de calcium (CaF 2 ) substrat. Ils ont pu suivre les changements dans la structure des liaisons hydrogène des molécules d'eau. Quand il y avait quatre couches ou plus de graphène, un pic caractéristique à ~3, 600 cm-1 ont commencé à apparaître dans les spectres VFSG. Ce pic correspond aux molécules d'eau avec les groupes -OH pendants qui ne forment pas de liaisons hydrogène avec les molécules d'eau voisines, qui est une caractéristique qui a été couramment trouvée pour l'eau à l'interface hydrophobe. Ce résultat est la première observation montrant la structure au niveau moléculaire de l'eau à l'interface eau-graphène.

En outre, les chercheurs ont comparé la valeur de mouillabilité VSFG qu'ils pouvaient calculer à partir des spectres mesurés à l'énergie d'adhésion estimée qui est liée aux WCA mesurés. Ils ont constaté que les deux propriétés sont fortement corrélées entre elles. Cette observation suggère que le VSFG pourrait être un outil incisif pour étudier la mouillabilité des matériaux bidimensionnels au niveau moléculaire. Il a également montré la possibilité d'utiliser le VSFG comme alternative à la mesure de l'énergie d'adhésion de l'eau sur les surfaces enterrées, où la mesure de l'angle de contact avec l'eau est difficile voire impossible.

Les premier et deuxième auteurs Kim Donghwan et KIM Eunchan Kim notent :"Cette étude est le premier cas décrivant l'hydrophobie croissante de la surface du graphène à un niveau moléculaire en fonction du nombre de couches de graphène, " et " La spectroscopie de génération de fréquence de somme vibrationnelle pourrait être utilisée comme un outil polyvalent pour comprendre les propriétés de tout matériau bidimensionnel fonctionnel. "

Pr Cho Minhaeng, le directeur du CMSD, remarque :"Pour les applications où le graphène est utilisé dans une solution aqueuse, l'hydrophobie de l'interface est l'un des facteurs clés pour déterminer l'efficacité des couches de graphène pour diverses applications. Cette recherche devrait fournir des connaissances scientifiques de base pour une conception optimale d'appareils à base de graphène à l'avenir. »