La mouillabilité d'un 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'hydrophobicité. 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.

Jusqu'à présent, les études sur la mouillabilité des substrats ont été principalement 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 microscopique 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 toute la masse du liquide est beaucoup plus grand que les molécules qui entrent en contact avec la surface, le signal des molécules d'eau interfaciales est obscurci par le signal des molécules d'eau dans la masse du liquide.

Pour surmonter cette limitation, une équipe de recherche du Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) au sein 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 de génération de fréquence somme (VSFG) pourrait être utilisé pour mesurer la mouillabilité des matériaux 2D. L'équipe a réussi à mesurer le mode vibrationnel des molécules d'eau dans les interfaces entre le graphène et l'eau à l'aide de la spectroscopie VSFG.

Le VSFG est une technique utile qui peut relier les résultats de mesure macroscopiques aux propriétés au niveau moléculaire. C'est un outil sélectif de surface pour étudier les molécules d'interface en utilisant sa propre règle de sélection de surface, et il a 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 à mesure que le nombre de couches de graphène augmente, disparaissant lorsque le graphène a plus de quatre couches d'épaisseur. Il s'agit de la première observation décrivant que la surface du graphène devient hydrophobe au-dessus d'un certain nombre de couches au niveau moléculaire.

En outre, les chercheurs ont défini le nouveau concept de mouillabilité VSFG, qui est le rapport entre les molécules d'eau formant de fortes liaisons hydrogène et les molécules d'eau avec une formation de liaison hydrogène faible ou nulle. La mouillabilité du VSFG était fortement corrélée à l'énergie d'adhésion, qui est calculée à partir des mesures macroscopiques observées de WCA. Cela a prouvé que VSFG est un outil efficace pour définir la mouillabilité de la surface d'un matériau.

En utilisant la mouillabilité du VSFG, les chercheurs ont mesuré la mouillabilité du graphène en temps réel, lorsqu'un champ électrique lui a été appliqué pour former de l'oxyde de graphène. Il est impossible d'observer la mouillabilité en temps réel avec les expériences traditionnelles de WCA. Par conséquent, cela suggère que le VSFG pourrait être une technique décisive pour mesurer l'énergie d'adhérence de l'eau sur toute interface spatialement confinée où la mesure de l'angle de contact de l'eau ne peut pas être appliquée. En plus du graphène, la spectroscopie VSFG devrait 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 le potentiel de mesure de la mouillabilité de systèmes complexes auparavant inobservables grâce à la spectroscopie VSFG."

Le professeur CHO Minhaeng, directeur du 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 de matériaux fonctionnels bidimensionnels."

Cette recherche a été publiée dans l'édition en ligne de Chem le 26 avril. + Explorer plus loin

Identification de la mouillabilité des couches de graphène au niveau moléculaire