材料的润湿性是液体与固体表面保持接触的能力，它与亲水性成正比，与疏水性成反比。它是固体最重要的特性之一，了解不同基质的润湿性对于各种工业用途至关重要，如海水淡化、涂层剂和电解质。
迄今为止，对基材润湿性的研究主要是在宏观层面上进行测量。润湿性的宏观测量通常是通过测量水接触角(WCA)来确定的，即水滴相对于基体表面的角度。然而，目前还很难从分子水平上准确测量底物与水的界面发生了什么。
目前使用的显微测量技术，例如基于反射的红外光谱或拉曼光谱，无法选择性地观察界面水分子。由于整个液体中的水分子数量远远大于与表面接触的分子，因此界面水分子的信号被主体液体中的水分子信号所掩盖。
为了克服这一限制，韩国首尔基础科学研究所 (IBS) 分子光谱与动力学中心 (CMSD) 和高丽大学的一个研究小组发现，振动和频率产生光谱 (VSFG) 可以用于测量二维材料的润湿性。该团队使用 VSFG 光谱成功地测量了石墨烯和水界面中水分子的振动模式。相关研究成果以“Wettability of graphene and interfacial water structure”为题，发表在 Chem 上。
VSFG是一种将宏观测量结果与分子水平性质联系起来的有用技术。它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，在分子层数较少的情况下具有很好的表面分辨率。
该团队发现石墨烯具有独特的能力，可以将基底的润湿性投射到其表面，这被称为“润湿透明度”。他们观察到，石墨烯的润湿透明度随着石墨烯层数的增加而降低，当石墨烯厚度超过4层时就消失了。这是第一个描述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。
图1. 石墨烯/水层界面水的VSFG光谱及VSFG润湿性和粘附能的比较
(左)界面水的VSFG光谱显示，当石墨烯厚度超过4层时，出现了一个悬垂的OH峰(3600 cm-1)。(右)计算出的VSFG润湿性是根据宏观观察的粘附能绘制的。这两个值吻合得很好，说明疏水性随着石墨烯层数的增加而增加。
此外，研究人员还定义了VSFG润湿性的新概念，即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。VSFG的润湿性与黏附能密切相关，黏附能是由宏观WCA测量结果计算得到的。这证明了VSFG是确定材料表面润湿性的有效工具。
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。传统的WCA实验无法实时观察润湿性。因此，在水接触角测量无法应用的任何空间受限界面上，VSFG可以成为测量水附着能的决定性技术。除了石墨烯之外，VSFG光谱还有望揭示其他低维材料的润湿性。
图2. VSFG实验和水接触角测量的图解
石墨烯的水接触角测量提供了宏观润湿性的信息。另一方面，VSFG实验可以提供有关界面水微观结构和石墨烯润湿性的信息。
第一作者Eunchan Kim指出：“这项研究证实了VSFG光谱可以用作测量润湿性的通用工具。以及“我们展示了通过VSFG光谱测量以前无法观测到的复杂体系润湿性的潜力。”
CMSD主任CHO Minhaeng教授指出：“通过VSFG光谱，我们正在研究石墨烯以及其他二维功能材料的微观性质（如氧化石墨烯和六方氮化硼）以解决阻碍二维功能材料商业化的各种问题。”
文献信息：
Donghwan Kim, Eunchan Kim, Sohyun Park, Seungah Kim, Byoung Koun Min, Hyo Jae Yoon, Kyungwon Kwak, Minhaeng Cho. Wettability of graphene and interfacial water structure. Chem, 2021; 7 (6): 1602DOI: 10.1016/j.chempr.2021.03.006
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