El grafeno es un material bidimensional en el que los átomos de carbono están dispuestos en estructuras hexagonales, y tiene propiedades físicas y químicas únicas, como un grosor subnanométrico, estabilidad química, flexibilidad mecánica, conductividad eléctrica y térmica, transparencia óptica, y permeabilidad selectiva al agua. Debido a estas propiedades, diversas aplicaciones del grafeno en electrodos transparentes, desalinización, almacenamiento de energía eléctrica, y los catalizadores se han estudiado vigorosamente.

Debido a que el grafeno es un material extremadamente delgado, para usos prácticos, tiene que depositarse sobre otros materiales que sirvan de sustrato. Uno de los temas de investigación de gran interés científico es cómo interactúa el grafeno sobre un sustrato con el agua. La humectabilidad es la capacidad del agua interfacial para mantener el contacto con una superficie sólida, y depende de la hidrofobicidad del material. A diferencia de la mayoría de los materiales, la humectabilidad del grafeno varía según el tipo de sustrato. Más específicamente, la humectabilidad del sustrato se ve débilmente afectada por la presencia de una sola capa de grafeno en su superficie. Una humectabilidad tan peculiar del grafeno ha sido descrita por el término "transparencia humectante" porque las propiedades humectantes en la interfaz grafeno-agua tienen poco efecto sobre la interacción sustrato-agua a través del grafeno fino.

Se han realizado numerosas mediciones del ángulo de contacto con el agua (WCA) para estudiar la humectabilidad del grafeno en varios tipos de sustratos. WCA es un método comúnmente utilizado para medir la hidrofobicidad del material, ya que el ángulo de contacto entre la gota de agua y el material aumenta a medida que el material se vuelve más hidrofóbico. Estos estudios han insinuado que, si bien la humectabilidad de la monocapa de grafeno es notablemente transparente, el grafeno se vuelve cada vez más hidrófobo a medida que aumenta el número de capas. Sin embargo, La medición de WCA solo puede proporcionar información sobre las propiedades macroscópicas de la interfaz grafeno-agua, y no puede dar una imagen detallada del agua interfacial en la interfaz grafeno-agua.

Es más, otras técnicas como la espectroscopia Raman o la espectroscopia infrarroja basada en reflexión, que se han utilizado comúnmente para medir propiedades microscópicas, no son útiles para observar selectivamente las moléculas de agua interfaciales. Esto se debe a que la señal espectroscópica vibratoria de las moléculas de agua interfaciales está completamente enmascarada por la enorme señal del agua a granel. Como resultado, No es del todo sorprendente que haya escasez de estudios a nivel molecular en esta área de la investigación del grafeno.

Recientemente, un equipo de investigación en el Centro de Espectroscopía y Dinámica Molecular (CMSD) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Seúl, Corea del Sur y la Universidad de Corea revelaron el origen de la humectabilidad del grafeno. El equipo logró observar la estructura de enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua en las interfaces grafeno-agua utilizando una técnica llamada 'espectroscopia de generación de frecuencia de suma vibratoria (VSFG)'. VSFG es una espectroscopia no lineal de segundo orden que se puede utilizar para analizar selectivamente moléculas con centrosimetría rota. Es un método ideal para estudiar el comportamiento y las estructuras de las moléculas de agua en la interfaz del grafeno, ya que las moléculas de agua en el líquido a granel no son visibles debido a su distribución isotrópica de orientaciones moleculares.

El equipo de investigación observó los espectros VSFG de moléculas de agua en un grafeno multicapa que cubre un fluoruro de calcio (CaF ₂ ) sustrato. Pudieron rastrear los cambios en la estructura del enlace de hidrógeno de las moléculas de agua. Cuando había cuatro o más capas de grafeno, un pico característico en ~ 3, 600 cm-1 comenzaron a aparecer en los espectros VFSG. Este pico corresponde a las moléculas de agua con los grupos -OH colgantes que no forman enlaces de hidrógeno con las moléculas de agua vecinas, que es un rasgo característico que se ha encontrado comúnmente para el agua en la interfaz hidrofóbica. Este resultado es la primera observación que muestra la estructura del agua a nivel molecular en la interfaz agua-grafeno.

Además, los investigadores compararon el valor de humectabilidad de VSFG que pudieron calcular a partir de los espectros medidos con la energía de adhesión estimada que está relacionada con los WCA medidos. Descubrieron que ambas propiedades están altamente correlacionadas entre sí. Esta observación sugiere que el VSFG podría ser una herramienta incisiva para estudiar la humectabilidad de materiales bidimensionales a nivel molecular. También mostró la posibilidad de utilizar VSFG como alternativa a la medición de la energía de adhesión del agua en superficies enterradas. donde medir el ángulo de contacto con el agua es difícil o incluso imposible.

Los primeros y segundos autores, Kim Donghwan y KIM Eunchan Kim, señalan:"Este estudio es el primer caso que describe la creciente hidrofobicidad de la superficie del grafeno a nivel molecular, dependiendo del número de capas de grafeno, "y" La espectroscopia de generación de frecuencia de suma vibratoria podría usarse como una herramienta versátil para comprender las propiedades de cualquier material bidimensional funcional ".

Prof. Cho Minhaeng, el Director de CMSD, notas:"Para aplicaciones en las que se utiliza grafeno en una solución acuosa, la hidrofobicidad de la interfaz es uno de los factores clave para determinar la eficiencia de las capas de grafeno para diversas aplicaciones. Se espera que esta investigación proporcione conocimientos científicos básicos para un diseño óptimo de dispositivos basados ​​en grafeno en el futuro ".