石墨烯是一种碳原子排列成六边形结构的二维材料，具有亚纳米级厚度、化学稳定性、机械柔韧性、导电导热性、光学透明性和选择性渗透性等独特的物理和化学性质。水。由于这些特性，石墨烯在透明电极、海水淡化、电能存储和催化剂中的各种应用得到了大力研究。

由于石墨烯是一种极薄的材料，在实际应用中，它必须沉积在其他用作基材的材料之上。其中的研究课题具有重大科学意义的是基板上的石墨烯如何与水相互作用。润湿性是界面水与固体表面保持接触的能力，它取决于材料的疏水性。与大多数材料不同，石墨烯的润湿性取决于基材的类型。更具体地说，基材的润湿性受其表面上单个石墨烯层的影响很小。石墨烯的这种特殊润湿性已被术语“润湿透明度”描述，因为石墨烯 - 水界面的润湿特性对通过薄石墨烯的基材 - 水相互作用几乎没有影响。

已经有许多水接触角 (WCA) 测量来研究石墨烯在各种类型的基材上的润湿性。WCA 是测量材料疏水性的常用方法，因为随着材料变得更加疏水，水滴和材料之间的接触角会增加。这些研究表明，虽然石墨烯单层的润湿性非常透明，但随着层数的增加，石墨烯变得越来越疏水。然而，WCA测量只能提供石墨烯-水界面宏观性质的信息，并不能给出石墨烯-水界面处界面水的详细图片。

此外，通常用于测量微观特性的其他技术，例如拉曼光谱或基于反射的红外光谱，不适用于选择性观察界面水分子。那是因为界面水分子的振动光谱信号被大量水的巨大信号完全掩盖了。因此，在石墨烯研究领域缺乏分子水平的研究也就不足为奇了。

最近，韩国首尔基础科学研究所 (IBS) 和高丽大学的分子光谱与动力学中心 (CMSD) 的一个研究小组揭示了石墨烯润湿性的起源。该团队使用一种称为“振动和频发生光谱(VSFG)”的技术成功地观察了石墨烯-水界面处水分子的氢键结构。VSFG 是一种二阶非线性光谱，可用于选择性分析中心对称性破坏的分子。它是研究石墨烯界面处水分子行为和结构的理想方法，因为主体液体中的水分子由于分子取向的各向同性分布而不可见。

研究小组观察了覆盖氟化钙 (CaF 2 ) 衬底的多层石墨烯上水分子的 VSFG 光谱。他们能够追踪水分子氢键结构的变化。当有四层或更多层石墨烯时，~3,600 cm-1 处的特征峰开始出现在 VFSG 光谱中。该峰对应于具有不与相邻水分子形成氢键的悬空-OH 基团的水分子，这是疏水界面处水的常见特征。这一结果是首次观察到水-石墨烯界面处水的分子级结构。

此外，研究人员将他们可以从测量光谱计算的 VSFG 润湿性值与与测量的 WCA 相关的估计粘附能进行了比较。他们发现这两种属性彼此高度相关。这一观察结果表明，VSFG 可能是在分子水平上研究二维材料润湿性的重要工具。它还显示了使用 VSFG 作为测量水在埋地表面上的粘附能的替代方法的可能性，在那里测量水接触角是困难的，甚至是不可能的。

第一和第二作者 Kim Donghwan 和 KIM Eunchan Kim 指出：“这项研究是第一个在分子水平上描述石墨烯表面疏水性增加的案例，这取决于石墨烯层的数量，”和“振动和频发生光谱可以可用作了解任何功能二维材料特性的通用工具。”

CMSD 主任 Cho Minhaeng 教授指出：“对于石墨烯在水溶液中的应用，界面的疏水性是决定石墨烯层在各种应用中的效率的关键因素之一。这项研究有望为未来基于石墨烯的设备的优化设计提供基础科学知识。”