De dynamiek van water nabij vaste oppervlakken speelt een cruciale rol in tal van technologieën, inclusief waterfiltratie en -zuivering, chromatografie en katalyse. Een bekende manier om die dynamiek te beïnvloeden, wat op zijn beurt van invloed is op hoe water een oppervlak "bevochtigt", is om de hydrofobiciteit van het oppervlak te wijzigen, of de mate waarin het oppervlak water afstoot. Dergelijke wijzigingen kunnen worden bereikt door de gemiddelde dekking te wijzigen, of oppervlaktedichtheid, van hydrofobe chemische groepen op het grensvlak.

Nutsvoorzieningen, in een paper gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , hoofdauteur Jacob Monroe, een vijfdejaars Ph.D. student in het lab van UC Santa Barbara chemisch ingenieur M. Scott Shell, geeft een nieuw perspectief op de factoren die deze dynamiek beheersen. Door computersimulaties te gebruiken om de oppervlakken te ontwerpen, de onderzoekers konden een meer genuanceerde manier identificeren waarop de hydrofobiciteit van het oppervlak de waterdynamiek op een grensvlak beïnvloedt. De bevindingen kunnen belangrijke gevolgen hebben voor membranen, vooral die gebruikt in waterfiltratie.

"Wat we zien is dat alleen al het veranderen van de patronen - de verdeling van die hydrofobe en hydrofiele groepen, zonder de gemiddelde oppervlaktedichtheden te veranderen - produceert vrij grote effecten op een grensvlak, "Zei Monroe. "Dat is waardevol om te weten als ik wil dat water optimaal door een membraan stroomt."

Monroe en zijn collega's ontdekten dat als ze alle hydrofobe groepen samenbrengen en het oppervlak erg fragmentarisch maken, het water beweegt sneller; als ze ze allemaal uit elkaar zouden spreiden, het water vertraagt. "Als het membraan voor waterfiltratie was, je wilt misschien dat het water er snel overheen stroomt, " merkte Monroe op, "maar misschien wil je ook dat het water aan de oppervlakte zit om deeltjes af te weren die eraan blijven kleven en het membraan vervuilen."

Hydrofobe en hydrofiele groepen zijn vaak met een bepaalde dichtheid aanwezig in veel soorten materialen, en hoewel de snelheid waarmee water naar een oppervlak beweegt niet de enige factor is die van invloed is op hoe een membraan presteert, Monroe suggereert dat het begrijpen van die dynamiek een stap is in de richting van het ontwerpen van efficiëntere membranen. En dat, beurtelings, heeft betrekking op de energiekosten van filtratie en op hoe gemakkelijk verontreinigingen zich aan de membraanwanden kunnen hechten en, dus, uit het water worden gehaald.

De onderzoekers hebben de informatie over oppervlaktepatronen nog niet gebruikt om materialen voor specifieke toepassingen te ontwerpen, hoewel ze dat van plan zijn. Maar hun bevinding over patronen is van directe relevantie voor het interpreteren van experimenten, omdat het betekent dat het beoordelen van de oppervlaktedichtheid van hydrofobe groepen alleen niet voldoende is om het materiaal te karakteriseren.

Monroe en Shell ontdekten het distributie-effect door simulaties van moleculaire dynamica te combineren met een optimalisatie van een genetisch algoritme, dat is gewoon een algoritme dat natuurlijke evolutie nabootst - hier gebruikt om oppervlaktepatronen te identificeren die de mobiliteit van oppervlaktewater vergroten of verkleinen.

"Het is een soort fokprogramma, " legde Monroe uit. "Als je een pool van honden had en je wilde een bepaald soort hond, zeg een die groter is of een kortere staart of een grotere kop heeft, je zou de honden fokken die die kenmerken hebben. We doen hetzelfde op een computer, maar ons doel is om een ​​oppervlak te ontwerpen met specifieke kenmerken waardoor het kan presteren zoals wij dat willen. Je hebt de fitnessmeting nodig, en dan kun je het genetische algoritme afstemmen om specifieke prestatiekenmerken te optimaliseren, bijvoorbeeld, om water snel over een membraan te laten bewegen of om op een oppervlak te adsorberen. In een ander geval, het zou kunnen zijn hoe snel water door een enkele porie in het oppervlak beweegt. En in een ander, we zouden kunnen kijken of de ene soort verontreinigende stof blijft plakken en de andere niet.

"Dus, we voeren moleculaire dynamica-simulaties uit om die eigenschappen te beoordelen, " vervolgde hij. "We kennen een niveau van fitness toe aan elk individu, en dan hybridiseren we de meest geschikte individuen ruimtelijk en drijven de systemen naar de eigenschappen die we willen dat ze hebben."

Monroe is van mening dat deze methode van sub-nanoschaal oppervlaktepatronen een belangrijke ontwerpparameter is voor het ontwerpen van vast-waterinterfaces voor meerdere toepassingen, en dat het een brede strategie kan bieden voor technische materialen met een ontworpen hydratatie-waterdynamiek.

"Dit werk is opwindend omdat het voor het eerst laat zien dat patronen op nanoschaal op oppervlakken een effectief middel zijn om materialen te ontwerpen die aanleiding geven tot unieke waterdynamiek, Shell zei. "Er is lang gedacht dat biologische moleculen, zoals eiwitten, chemische oppervlaktepatronen gebruiken om de waterdynamiek naar functionele doelen te beïnvloeden, zoals het versnellen van bindingsgebeurtenissen die ten grondslag liggen aan veel biomoleculaire processen. We hebben nu een computationeel optimalisatie-algoritme gebruikt om te 'leren' hoe deze patronen eruit zouden moeten zien in synthetische materialen met beoogde prestatiekenmerken. De resultaten suggereren een nieuwe manier om oppervlakken te ontwerpen om de waterdynamiek in de buurt nauwkeurig te regelen, die van groot belang wordt voor chemische scheidingen en katalysetaken."