La humectabilidad de un material es la capacidad de un líquido para mantener 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 desalinización, agentes de recubrimiento y electrolitos de agua.

Hasta ahora, los estudios sobre la humectabilidad de los sustratos se han medido principalmente a nivel macroscópico. La medición macroscópica de la humectabilidad generalmente se determina 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 sucede en la interfaz entre un sustrato y el agua a nivel molecular.

Las técnicas de medición microscópicas utilizadas actualmente, como la espectroscopia infrarroja basada en la reflexión o la espectroscopia Raman, son incapaces de observar selectivamente las moléculas de agua interfaciales. Dado que la cantidad de moléculas de agua en todo el volumen del líquido es mucho mayor que las moléculas que están en contacto con la superficie, la señal de las moléculas de agua interfaciales se oscurece por la señal de las moléculas de agua en el líquido a granel.

Para superar esta limitación, un equipo de investigación del Centro de Espectroscopía y Dinámica Molecular (CMSD) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en Seúl, Corea del Sur, y la Universidad de Corea reveló que la espectroscopia de generación de frecuencia de suma vibratoria (VSFG) podría utilizarse para medir la humectabilidad de materiales 2D. El equipo logró medir el modo de vibración de las moléculas de agua en las interfaces entre el grafeno y el agua mediante espectroscopia VSFG.

VSFG es una técnica útil que puede conectar los resultados de la medición macroscópica con propiedades a nivel molecular. Es una herramienta de superficie selectiva para investigar 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 para proyectar la humectabilidad del sustrato sobre su superficie, lo que se denomina "transparencia humectante". 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 cuatro capas de espesor. Esta es la primera observación que describe que la superficie del grafeno se vuelve hidrofóbica por encima de un cierto 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 enlaces de hidrógeno fuertes y las moléculas de agua con formación de enlaces de hidrógeno débil o nula. La humectabilidad de VSFG se correlacionó fuertemente con la energía de adhesión, que se calcula a partir de las medidas macroscópicas de WCA observadas. Esto demostró que VSFG es una herramienta eficaz para definir la humectabilidad de la superficie de un material.

Usando la humectabilidad VSFG, los investigadores midieron la humectabilidad del grafeno en tiempo real, ya que se aplicó un campo eléctrico para formar óxido de grafeno. Es imposible observar la humectabilidad en tiempo real con los experimentos WCA tradicionales. Por lo tanto, esto sugiere que VSFG podría ser una técnica decisiva para medir la energía de adhesión del agua en cualquier interfaz espacialmente confinada donde 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 confirmó que la espectroscopia VSFG podría usarse como una herramienta versátil para medir la humectabilidad" y "demostramos el potencial para medir la humectabilidad de sistemas complejos previamente no observables a través de la espectroscopia VSFG".

El profesor CHO Minhaeng, director de 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 "a través de esto, será posible resolver varios problemas que dificultan la comercialización de materiales funcionales bidimensionales".

Esta investigación fue publicada en la edición en línea de Chem el 26 de abril. + Explora más

Identificación de la humectabilidad de las capas de grafeno a nivel molecular