Beter bekend als glas, silica is een veelzijdig materiaal dat wordt gebruikt in talloze industriële processen, van katalyse en filtratie, tot chromatografie en nanofabricage. Maar ondanks zijn alomtegenwoordigheid in laboratoria en cleanrooms, Er is verrassend weinig bekend over de oppervlakte-interacties van silica met water op moleculair niveau.

"De manier waarop water in wisselwerking staat met een oppervlak beïnvloedt veel processen, " zei Songi Han, een UC Santa Barbara hoogleraar scheikunde en auteur van een recent artikel in de Proceedings van de National Academy of Sciences . Vaak, ze legde uit, wetenschappers en ingenieurs intuïtief de mogelijke interacties tussen silica en water en ontwerpapparatuur, experimenten en processen gebaseerd op empirisch bewijs. Maar een mechanisch begrip van hoe de chemische topologie van silica-oppervlakken de structuur van water aan het oppervlak verandert, zou kunnen leiden tot een rationeel ontwerp van deze processen.

Voor veel mensen, glas is glas, en doet denken aan het heldere, moeilijk, zacht, homogeen uitziend materiaal dat we gebruiken voor ramen of servies. Echter, op een dieper niveau is wat we 'glas' noemen eigenlijk een complexer materiaal dat verschillende chemische eigenschappen kan bevatten met brede distributies.

"Glas is een materiaal dat we allemaal kennen, maar wat veel mensen waarschijnlijk niet weten, is dat het een chemisch heterogeen oppervlak is, " zei afgestudeerde student-onderzoeker Alex Schrader, hoofdauteur van de PNAS papier.

Er zijn twee verschillende soorten chemische groepen waaruit glasoppervlakken bestaan, hij zei:silanol (SiOH) groepen die over het algemeen hydrofiel zijn (waterminnend), of siloxaan (SiOHSi) groepen die typisch waterafstotend zijn. "Wat we laten zien, ’ zei Schrader, "is dat de manier waarop je deze twee soorten chemicaliën op het oppervlak rangschikt, grote invloed heeft op hoe water in wisselwerking staat met het oppervlak, die, beurtelings, beïnvloedt fysiek waarneembare verschijnselen, zoals hoe water zich over een glas verspreidt."

Bij bepaalde processen, zoals katalyse, bijvoorbeeld, silica (ook bekend als siliciumdioxide of SiO2) in de vorm van een witachtig poeder wordt als drager gebruikt - de katalysator wordt aan de poederkorrels gehecht, die het op zijn beurt in het proces brengen. Hoewel silica niet direct deelneemt aan de katalyse, de moleculaire samenstelling van het oppervlak van de silicakorrels kan de effectiviteit ervan beïnvloeden als de chemische groep overwegend hydrofiel of hydrofoob is. De onderzoekers ontdekten dat als het silica de neiging heeft om hydrofiele silanolgroepen op het oppervlak te hebben, het trekt watermoleculen aan, in feite vormt het een "zachte barrière" van watermoleculen die reactanten zouden moeten overwinnen om op de een of andere manier te penetreren om door te gaan met het gewenste proces of de gewenste reactie.

"Er is altijd dynamiek en de watermoleculen moeten van positie wisselen, en daarom is het ingewikkeld, " zei Jacob Israelachvili, professor in de chemische technologie van de UCSB, wiens oppervlaktekrachtenapparaat (SFA) de interactiekrachten tussen silica-oppervlakken over water heeft gemeten. "Je moet een band verbreken om deze andere band te laten ontstaan. En dat kan enige tijd duren."

Het is niet alleen de aanwezigheid van de silanolgroepen die de wateradhesie aan silica-oppervlakken kunnen beïnvloeden. De onderzoekers waren verbaasd over een niet-lineaire daling van de diffusiviteit van het oppervlaktewater - zoals gemeten door het dynamische nucleaire polarisatieapparaat van Overhauser in het Han-lab - toen de chemische samenstelling van het silica-oppervlak van hydrofoob naar hydrofiel veranderde. Dat mysterie werd vervolgens opgelost door UCSB-professor chemische technologie Scott Shell en zijn afgestudeerde student Jacob Monroe, wiens computersimulaties de relatieve rangschikking van silanol- en siloxaangroepen op het oppervlak onthulden, had ook een invloed op de wateradhesie.

"Als je dezelfde fractie van waterminnende en waterafstotende groepen hebt, door ze ruimtelijk te herschikken, u kunt de watermobiliteit aanzienlijk variëren, "zei Han.

Katalysatorgestuurde processen zijn niet het enige dat kan worden verbeterd met een moleculair begrip van silica-wateradhesie. Filtratie en chromatografie kunnen ook worden verbeterd.

"Het is ook belangrijk bij cleanroomprocedures, nanofabricage en microprocessorvorming, " zei Schrader, die erop wees dat microprocessors worden gefabriceerd op siliciumwafelsubstraten met een dunne laag glas, waarop circuits worden gelegd. "Het is belangrijk om te begrijpen hoe het eigenlijke oppervlak van de siliciumwafel er op chemisch niveau uitziet en hoe deze verschillende metaallagen die ze erop afzetten eraan hechten en hoe ze eruit zien."