«Способ, которым вода взаимодействует с поверхностью, затрагивает много процессов», сказал Сонджи Ен, преподаватель Санта-Барбары UC химии и автор на недавней бумаге в Слушаниях Национальной академии наук. Во многих случаях она объяснила, ученые и инженеры постигают интуитивно потенциальные взаимодействия между кварцем и водой и проектируют оборудование, эксперименты и процессы на основе эмпирического доказательства. Но механистическое понимание того, как химическая топология поверхностей кварца изменяет структуру воды в поверхности, могло привести к дизайну объяснения этих процессов.Для многих людей стекло – стекло и напоминает ясный, твердый, гладкий, однородно выглядящий материал, который мы используем для окон или столовой посуды.
Однако на более глубоком уровне, что мы называем «стеклом», на самом деле более сложный материал, который может содержать различные химические свойства со всесторонними распределениями.«Стекло – материал, мы все знакомы с, но что, вероятно, не знают многие люди, то, что это – то, что мы назвали бы химически неоднородной поверхностью», сказал исследователь аспиранта Алекс Шрадер, ведущий автор статьи PNAS.
Есть два различных типов химических групп, которые включают стеклянные поверхности, он сказал: силанол (SiOH) группы, которые являются обычно мягкой контактной линзой (любовь воды) или siloxane (SiOHSi) группы, которые, как правило, являются водным репеллентом. «Что мы показываем», сказал Шрэдер, «то, что способ, которым Вы устраиваете эти два типа химии на поверхности значительно, влияет, как вода взаимодействует с поверхностью, которая, в свою очередь, влияет на физические заметные явления, как то, как вода распространяется на стакане».В определенных процессах, таких как катализ, например, кварц (иначе кремниевый диоксид или SiO2) в форме беловатого порошка используется в качестве поддержки – катализатор присоединен к порошковым зернам, которые в свою очередь несут его в процесс.
В то время как кварц не участвует непосредственно в катализе, поверхностный молекулярный состав зерен кварца может влиять на свою эффективность, если химическая группа – преимущественно мягкая контактная линза или гидрофобный. Исследователи нашли, что, если кварц имеет тенденцию иметь гидрофильные группы силанола на своей поверхности, молекулы воды, в действительности формируя «мягкий барьер» молекул воды привлекает, что реагенты должны были бы преодолеть, чтобы так или иначе проникнуть, чтобы возобновить желаемый процесс или реакцию.«Всегда есть движущие силы, и молекулы воды должны обменять свои положения, и так вот почему это сложно», сказал преподаватель химического машиностроения UCSB Джейкоб Исрэелэчвили, поверхность вызывает аппарат (SFA) которого измерила силы взаимодействия между поверхностями кварца через воду. «Вы должны разорвать некоторую связь для этой другой связи, чтобы сформироваться. И это может занять время».
Это не просто простое присутствие групп силанола, которые могут затронуть водное прилипание к поверхностям кварца. Исследователи были озадачены нелинейным понижением диффузивности поверхностной воды – как измерено Overhauser динамический ядерный аппарат поляризации в ханьской лаборатории – как химический состав поверхности кварца, перемещенной от гидрофобного до мягкой контактной линзы. Та тайна была впоследствии решена преподавателем химического машиностроения UCSB Скоттом Шеллом и его аспирантом Жакобом Монро, компьютерные моделирования которого показали относительное расположение силанола, и siloxane группы на поверхности также имели влияние на водное прилипание.
«Если у Вас есть та же самая часть любящих воду групп и не любящих воду групп, просто перестроив их пространственно, Вы можете значительно изменить водную подвижность», сказал Ен.Управляемые катализатором процессы не единственная вещь, которая может быть улучшена с молекулярным пониманием водного кварцем прилипания.
Фильтрация и хроматография могут также быть улучшены.«Это также важно в процедурах чистого помещения, нанофальсификации и формировании микропроцессора», сказал Шрадер, который указал, что микропроцессоры изготовлены на кремниевых основаниях вафли с тонким слоем стекла, на которое положены схемы. «Важно понять, как фактическая поверхность кремниевой вафли считает химический уровень и как эти различные металлические слои, которые они вносят на нем, придерживаются его и как они появляются».