Grafen ve Diğer 2B Malzemelerin Islanabilirliğinin Ölçümü

Fotoğraf : (solda) Ara yüzey suyunun VSFG spektrumları, grafen 4 katmandan daha kalın olduğunda sarkan bir OH tepe noktasının (3600 cm^-1) ortaya çıktığını göstermektedir. (sağda) Hesaplanan VSFG ıslanabilirliği, makroskopik gözlemden elde edilen yapışma enerjisine karşı çizilir. Her iki değer de birbiriyle örtüşür, bu da grafen katmanlarının sayısı arttıkça artan hidrofobikliği gösterir. Kredi: Temel Bilimler Enstitüsü

Bir malzemenin ıslanabilirliği, bir sıvının katı bir yüzeyle teması sürdürme yeteneğidir ve hidrofiliklik ile orantılı ve hidrofobiklik ile ters orantılıdır. Bir katının en önemli özelliklerinden biridir ve tuzdan arındırma, kaplama maddeleri ve su elektrolitleri gibi çeşitli endüstriyel kullanımlar için farklı alt tabakaların ıslanabilirliğini anlamak esastır.

Şimdiye kadar, substratların ıslanabilirliği üzerine yapılan çalışmalar esas olarak makroskopik düzeyde ölçülmüştür. Islanabilirliğin makroskopik ölçümü tipik olarak, bir su damlasının alt tabakanın yüzeyine göre yaptığı açı olan su temas açısının (WCA) ölçülmesiyle belirlenir. Bununla birlikte, moleküler düzeyde bir substrat ve su arasındaki arayüzde ne olduğunu doğru bir şekilde ölçmek şu anda çok zordur.

Yansıma tabanlı kızılötesi spektroskopi veya Raman spektroskopisi gibi şu anda kullanılan mikroskobik ölçüm teknikleri, arayüzey su moleküllerini seçici olarak gözlemleyememektedir. Sıvının tüm kütlesindeki su moleküllerinin sayısı, yüzeyle temas eden moleküllerden çok daha fazla olduğu için, ara yüzey su moleküllerinin sinyali, yığın sıvıdaki su moleküllerinin sinyali tarafından gizlenir.

Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, Güney Kore, Seul’deki Temel Bilimler Enstitüsü (IBS) bünyesindeki Moleküler Spektroskopi ve Dinamikler Merkezi’ndeki (CMSD) bir araştırma ekibi ve Kore Üniversitesi, titreşimsel toplam frekans üretim spektroskopisinin (VSFG) yapabileceğini ortaya çıkardı. 2D malzemelerin ıslanabilirliğini ölçmek için kullanılabilir. Ekip, VSFG spektroskopisini kullanarak grafen ve su arasındaki arayüzlerde su moleküllerinin titreşim modunu ölçmeyi başardı.

VSFG, makroskopik ölçüm sonuçlarını moleküler düzeydeki özelliklerle birleştirebilen kullanışlı bir tekniktir. Kendi yüzey seçim kuralını kullanarak arayüzey moleküllerini araştırmak için yüzey seçici bir araçtır ve birkaç moleküler katmanla çok iyi bir yüzey çözünürlüğüne sahiptir.

Fotoğraf – 1 : Grafenin su temas açısı ölçümleri, makroskopik ıslanabilirlik hakkında bilgi verir. Öte yandan, VSFG deneyi, arayüzey suyunun mikroskobik yapısı ve grafenin ıslanabilirliği hakkında bilgi sağlayabilir. Kredi: Temel Bilimler Enstitüsü

Grup, grafenin, alt tabakanın ıslanabilirliğini “ıslatma şeffaflığı” olarak adlandırılan yüzeyine yansıtma konusundaki benzersiz yeteneğini belirledi. Grafen katmanlarının sayısı arttıkça grafenin ıslatma şeffaflığının azaldığını, grafen dört katmandan daha kalın olduğunda kaybolduğunu gözlemlediler. Bu, grafen yüzeyinin moleküler düzeyde belirli sayıda katmanın üzerinde hidrofobik hale geldiğini tanımlayan ilk gözlemdir.

Ayrıca araştırmacılar, güçlü hidrojen bağları oluşturan su moleküllerinin zayıf hidrojen bağı oluşumu olan veya olmayan su moleküllerine oranı olan yeni VSFG ıslanabilirlik kavramını tanımladılar. VSFG ıslanabilirliği, gözlemlenen makroskopik WCA ölçümlerinden hesaplanan yapışma enerjisi ile güçlü bir şekilde ilişkilidir. Bu, VSFG’nin bir malzemenin yüzeyinin ıslanabilirliğini tanımlamak için etkili bir araç olduğunu kanıtladı.

Araştırmacılar, VSFG ıslanabilirliğini kullanarak, grafen oksit oluşturmak için bir elektrik alanı uygulandığında grafenin ıslanabilirliğini gerçek zamanlı olarak ölçtüler. Geleneksel WCA deneyleriyle ıslanabilirliği gerçek zamanlı olarak gözlemlemek imkansızdır. Bu nedenle, bu, VSFG’nin, su temas açısı ölçümünün uygulanamadığı herhangi bir uzaysal olarak sınırlı arayüzde su yapışma enerjisini ölçmek için belirleyici bir teknik olabileceğini düşündürmektedir. Grafene ek olarak, VSFG spektroskopisinin diğer düşük boyutlu malzemelerin ıslanabilirliğine ışık tutması bekleniyor.

İlk yazar Eunchan Kim şunları belirtiyor: “Bu çalışma, VSFG spektroskopisinin ıslanabilirliği ölçmek için çok yönlü bir araç olarak kullanılabileceğini doğruladı” ve “Daha önce gözlemlenemeyen karmaşık sistemlerin ıslanabilirliğini VSFG spektroskopisi aracılığıyla ölçme potansiyelini gösterdik.”

CMSD Direktörü Profesör CHO Minhaeng şunları belirtiyor: “VSFG spektroskopisi ile grafenin mikroskobik özelliklerini ve ayrıca grafen oksit ve altıgen bor nitrür gibi diğer iki boyutlu fonksiyonel malzemeleri inceliyoruz” ve “Bu sayede, iki boyutlu fonksiyonel malzemelerin ticarileşmesini engelleyen çeşitli sorunları çözmek mümkün.”

Bu araştırma, 26 Nisan’da Chem’in çevrimiçi baskısında yayınlandı.

Kaynak : phys.org