VSFG光谱实现分子水平测量石墨烯润湿性

　　近日，韩国首尔基础科学研究所 (IBS) 分子光谱与动力学中心 (CMSD) 和高丽大学的研究团队将振动和频率产生光谱 (VSFG)应用于测量二维材料的润湿性，成功地测量了石墨烯和水之间的界面中水分子的振动模式。
 

　　润湿性指一种液体在一种固体表面铺展的能力或倾向性，是固液接触面间的重要特性之一，由材料表面的微观几何结构和表面化学组成共同影响。润湿性对于固体材料在各种工业中的应用有重要意义，如材料表面的润湿性能影响能源器件的电化学性能和例子导电率，从而影响电池的容量和循环性能。
 

　　目前，材料润湿性的研究大多数在宏观层面进行。通常用接触角(WCA)的大小来衡量固体表面的润湿性强弱。所谓接触角是指液滴在固-液接触边缘的切线与固体平面间的夹角。当接触角小于90°时，该表面为亲水表面，当接触角大于90°时为疏水表面，当接触角超过150°时，则是超疏水表面。
 

　　接触角测量一般选择接触角测定仪，但是对于材料学研究来说宏观层面的接触角测量远远无法满足要求，必须在分子水平上准确观测材料和水之间的界面。目前微观测量技术主要有基于反射的红外光谱和拉曼光谱，但是这两种方法在接触角微观测量中都没有好的效果。主要原因是在整个液体中，与表面接触的水分子数量远少于其他水分子，因此界面水分子的信号会被掩盖。
 

　　为解决这一问题，研究团队应用振动和频率生成光谱(VSFG)来测量材料的润湿性。VSFG是一种利用自身的表面选择规律来研究界面分子的表面选择工具，具有少至几个分子层的良好表面分辨率。利用VSFG，研究人员描述了石墨烯表面在分子水平上超过一定数量的层数即变得疏水的观察结果。
 

　　此外，研究团队定义了VSFG润湿性的新概念——形成强氢键的水分子与形成弱氢键或没有氢键的水分子的比率。利用VSFG润湿性，研究人员在电场作用下形成氧化石墨烯，实时测量了石墨烯的润湿性。这意味着即使在接触较无法测量的空间受限界面上，VSFG也可以应用。
 

　　研究人员表示，他们正在利用VSFG光谱研究石墨烯以及其他二维功能材料的微观性质，希望解决阻碍二维功能材料商业化的各种问题。