The concept of wettability; i.e. the degree of spreading water over the solid surface, has been applied to regulate chemo-physical reactions in the field of heterogeneous catalyst, corrosion resistance, self-cleaning and water harvesting. However, experimental barriers such as crystallites defects and airborne contaminants have hindered an understanding of intrinsic wettability of materials. Theoretical methods also have been challenge in interpreting the wettability because of its dependency on experimental measurements as references. A quantum mechanics/molecular mechanics (QM/MM) calculation was performed to simulate the interfacial interactions between water and graphene; in addition, two phase thermodynamics (2PT) was implemented to analyze thermodynamic energies such as the entropy and the Helmholtz free energy. The physical concept of work of adhesion was theoretically calculated to pursue a contact angle (CA), in virtue of Young-Dupre equation. A wettability of multilayered graphene (~ $87^\circ CA$) was reasonably reproduced, then, a wettability of single layer graphene (~ $97^\circ CA$) was theoretically verified. The interfacial energy between water and graphene was partitioned into van der Waals, electrostatic interactions, which could realize the interpretation of a real system graphene with various number of layers, heteroatom dopants and textured surfaces. The research would provide a new approach to understand the wetting/dewetting phenomena at an atomic level and extend the atomic/molecular simulation field by giving a sense of how to design the system of interest.
고체 표면 위 액체가 퍼지는 정도를 일컫는 젖음도(wettability)는 불균일 촉매 반응 조절, 부식 내구성 강화, 자가세정, 물 포집 (water harvesting)과 같은 다양한 분야에 적용되는 개념이다. 그러나 정밀한 표면처리, 순도 높은 표면 유지의 어려움으로 인해 실험적인 접근으로는 물질 고유의 젖음도를 이해하기가 어렵다. 이론적 접근법 역시 실험값을 참고하며 모사하기 때문에 정밀한 실험값이 없는 물질의 경우, 고유 젖음도에 대한 이론적 이해 역시 어려움이 있다. 가령 단일층의 그래핀의 경우, 실험적으로 결함과 오염없는 이상적인 그래핀을 합성하기 힘들 뿐만 아니라 기판 없이 그래핀만의 젖음도를 측정하는 것이 아직까지는 재현되지 않고 있다. 본 연구에서는 물과 그래핀의 계면에서 상호작용하는 영향력을 멀티스케일 시뮬레이션 방법 중 하나인 양자역학/분자동역학 계산 (QM/MM)을 통해 구현하였으며 시스템 이해를 위해 이상역학 (2PT) 분석을 이용하여 헬름홀츠 자유에너지 등을 구하였다. 이를 통해 Young-Dupre 수식을 기반으로 열역학적으로 고유 접착 에너지(Wad)라는 물리적 값을 이론적으로 산출하여 실험적으로 측정가능한 접촉각을 역으로 추적하였다. 위 방법론으로 본 연구에서는 신뢰할 수 있는 실험적 젖음도를 보이는 다층 그래핀의 젖음도($87^\circ$의 접촉각)를 시뮬레이션으로 재현한 뒤 단일층 그래핀의 젖음도를 역추적하여 $97^\circ$의 접촉각을 이론적으로 확인 할 수 있었다. 그래핀-물 계면에너지를 반 데르 발스, 정전기적 상호작용 등으로 분석하여 이해한 뒤, 현실 조건의 그래핀의 젖음성, 즉 다층 그래핀과 이성물질의 도핑, 박막 특성에 의한 구조적 변화에 따른 젖음도를 이론적으로 모사하였다. 이 연구를 통해 산화에 취약한 금속표면이나 정확하게 표면을 제련하기 힘든 물질뿐만 아니라 아직 합성되지 않은 미래물질에 대한 젖음도를 이해할 수 있는 이론적 지침을 제공할 것이다.
