Le graphène est un matériau bidimensionnel dans lequel les atomes de carbone sont disposés en constructions hexagonales, et il possède des propriétés physiques et chimiques uniques telles que l’épaisseur inférieure au nanomètre, la stabilité chimique, la flexibilité mécanique, la conductivité électrique et thermique, la transparence optique et la perméabilité sélective à l’eau. En raison de ces propriétés, diverses applications du graphène dans les électrodes transparentes, le dessalement, le stockage d’énergie électrique et les catalyseurs ont été étudiées avec vigueur.



Parce que le graphène est un matériau extrêmement mince, pour des utilisations pratiques, il doit être déposé sur d’autres matériaux qui servent de substrat. L’un des sujets de recherche qui présente un grand intérêt scientifique est l’interaction du graphène sur un substrat avec l’eau. La mouillabilité est la capacité de l’eau interfaciale à maintenir le contact avec une area solide, et elle dépend de l’hydrophobicité du matériau. Contrairement à la plupart des matériaux, la mouillabilité du graphène varie en fonction du kind de substrat. Plus précisément, la mouillabilité du substrat est faiblement affectée par la présence d’une seule couche de graphène à sa surface. Une telle mouillabilité particulière du graphène a été décrite par le terme « transparence de mouillage » parce que les propriétés de mouillage à l’interface graphène-eau ont peu d’effet sur l’interaction substrat-eau à travers le graphène mince.

Il y a eu de nombreuses mesures d’angle de get in touch with avec l’eau (WCA) pour étudier la mouillabilité du graphène sur divers types de substrats. Le WCA est une méthode couramment utilisée pour mesurer l’hydrophobicité du matériau puisque l’angle de get hold of entre la gouttelette d’eau et le matériau augmente à mesure que le matériau devient plus hydrophobe. Ces études ont laissé entendre que si la mouillabilité de la monocouche de graphène est notamment transparente, le graphène devient de plus en plus hydrophobe à mesure que le nombre de couches augmente. Cependant, la mesure WCA ne peut fournir que des informations sur les propriétés macroscopiques de l’interface graphène-eau. En outre, d’autres techniques telles que la spectroscopie Raman ou la spectroscopie infrarouge à réflexion, qui ont été couramment utilisées pour mesurer les propriétés microscopiques, ne sont pas utiles pour observer sélectivement les molécules d’eau interfaciales. C’est parce que le signal spectroscopique vibrationnel des molécules d’eau interfaciales est complètement masqué par l’énorme signal de l’eau en vrac. En conséquence, il n’est pas tout à fait surprenant qu’il y ait eu une pénurie d’études au niveau moléculaire dans ce domaine de la recherche sur le graphène.



Récemment, une équipe de recherche du Middle for Molecular Spectroscopy and Dynamics (CMSD) au sein de l’Institute for Basic Science (IBS) à Séoul, en Corée du Sud et à l’Université de Corée, a révélé l’origine de la mouillabilité du graphène. L’équipe a réussi à observer la structure des liaisons hydrogène des molécules d’eau aux interfaces graphène-eau à l’aide d’une strategy appelée « spectroscopie de génération de fréquence somme-vibration (VSFG) ». VSFG est une spectroscopie non linéaire de 2nd ordre qui peut être utilisée pour analyser sélectivement des molécules avec une centrosymétrie cassée. C’est une méthode idéale pour étudier le comportement et les constructions des molécules d’eau à l’interface graphène puisque les molécules d’eau dans le liquide en vrac ne sont pas visibles en raison de leur distribution isotrope des orientations moléculaires.

Identification de la mouillabilité des couches de graphène au niveau moléculaire

L’équipe de recherche a observé les spectres VSFG de molécules d’eau sur un graphène multicouche recouvrant un substrat de fluorure de calcium (CaF2). Ils ont pu suivre les changements dans la framework des liaisons hydrogène des molécules d’eau. Lorsqu’il y avait quatre couches ou in addition de graphène, un pic caractéristique à ~ 3600 cm-1 a commencé à apparaître dans les spectres VFSG. Ce pic correspond aux molécules d’eau avec les groupes -OH pendantes qui ne forment pas de liaisons hydrogène avec les molécules d’eau voisines, ce qui est une caractéristique qui a été communément trouvée pour l’eau à l’interface hydrophobe. Ce résultat est la première observation montrant la framework moléculaire de l’eau à l’interface eau-graphène.

En outre, les chercheurs ont comparé la valeur de mouillabilité VSFG qu’ils pouvaient calculer à partir des spectres mesurés à l’énergie d’adhésion estimée liée aux WCA mesurés. Ils ont constaté que les deux propriétés sont fortement corrélées entre elles. Cette observation suggère que le VSFG pourrait être un outil incisif pour étudier la mouillabilité des matériaux bidimensionnels au niveau moléculaire. Il a également montré la possibilité d’utiliser le VSFG comme alternative à la mesure de l’énergie d’adhésion de l’eau sur des surfaces enterrées, où la mesure de l’angle de make contact with avec l’eau est difficile, voire impossible.

Les premier et deuxième auteurs KIM Donghwan et KIM Eunchan Kim notent : « Cette étude est le leading cas décrivant l’hydrophobicité croissante de la area du graphène au niveau moléculaire en fonction du nombre de couches de graphène » et « La spectroscopie de génération de fréquence somme-fréquence vibratoire pourrait être utilisé comme un outil polyvalent pour comprendre les propriétés de tout matériau bidimensionnel fonctionnel.  »

Le professeur CHO Minhaeng, directeur de CMSD, observe : « Pour les programs où le graphène est utilisé dans une remedy aqueuse, l’hydrophobicité de l’interface est l’un des facteurs clés pour déterminer l’efficacité des couches de graphène pour diverses apps. Cette recherche devrait fournir des connaissances scientifiques de foundation pour une conception optimale des dispositifs à foundation de graphène à l’avenir. «