Het begrijpen van de verschillende moleculaire interacties en structuren die ontstaan ​​tussen oppervlaktewatermoleculen zou wetenschappers en ingenieurs in staat stellen allerlei nieuwe hydrofobe/hydrofiele materialen te ontwikkelen of bestaande materialen te verbeteren. Bijvoorbeeld, de wrijving veroorzaakt door water op schepen kan worden verminderd door materiaaltechniek, wat leidt tot een hogere efficiëntie. Andere toepassingen zijn onder meer, maar zijn niet gelimiteerd tot, medische implantaten en ijswerende oppervlakken voor vliegtuigen. Echter, de verschijnselen die zich voordoen in oppervlaktewater zijn zo ingewikkeld dat Tokyo University of Science, Japan, heeft een speciaal onderzoekscentrum opgericht, genaamd "Water Frontier Wetenschap en Technologie, waar verschillende onderzoeksgroepen dit probleem vanuit verschillende invalshoeken aanpakken (theoretische analyse, experimentele onderzoeken, materiële ontwikkeling, enzovoort). Prof Takahiro Yamamoto leidt een groep wetenschappers in dit centrum, en ze proberen dit mysterie op te lossen door simulaties van de microscopische structuren, eigendommen, en functies van water op het oppervlak van materialen.

Voor dit onderzoek in het bijzonder die werd gepubliceerd in de Japans tijdschrift voor toegepaste natuurkunde , de onderzoekers van de Tokyo University of Science, in samenwerking met onderzoekers van de Divisie Science Solutions, Mizuho Informatie &Onderzoeksinstituut, Inc., gericht op de interacties tussen watermoleculen en grafeen, een ladingsneutraal, op koolstof gebaseerd materiaal dat atomair vlak kan worden gemaakt. "Oppervlaktewater op koolstofnanomaterialen zoals grafeen heeft veel aandacht getrokken omdat de eigenschappen van deze materialen ze ideaal maken voor het bestuderen van de microscopische structuur van oppervlaktewater, " legt Prof Yamamoto uit. In eerdere studies was er al op gewezen dat watermoleculen op grafeen de neiging hebben om stabiele veelhoekige (2-D) vormen te vormen in zowel oppervlaktewater als "vrij" water (watermoleculen weg van het oppervlak van het materiaal) . Bovendien, er was opgemerkt dat de kans om deze structuren te vinden drastisch anders was in oppervlaktewater dan in vrij water. Echter, de verschillen tussen oppervlakte- en vrij water moeten worden vastgesteld, en de overgang tussen de twee is moeilijk te analyseren met conventionele simulatiemethoden.

Gezien deze situatie, het onderzoeksteam besloot een methode uit de datawetenschap te combineren, zogenaamde persistente homologie (PH), met simulaties van moleculaire dynamica. PH maakt de karakterisering van datastructuren mogelijk, inclusief die in afbeeldingen/graphics, maar het kan ook worden gebruikt in de materiaalkunde om stabiele 3D-structuren tussen moleculen te vinden. "Onze studie vertegenwoordigt de eerste keer dat PH werd gebruikt voor een structurele analyse van watermoleculen, " merkt prof. Yamamoto op. Met deze strategie, de onderzoekers kregen een beter beeld van wat er met oppervlaktewatermoleculen gebeurt als er meer waterlagen bovenop komen.

Wanneer een enkele laag watermoleculen bovenop grafeen wordt gelegd, de watermoleculen zijn uitgelijnd zodat hun waterstofatomen stabiele veelhoekige structuren vormen met verschillende aantallen zijden door middel van waterstofbruggen. Dit "fixeert" de oriëntatie en relatieve positie van deze watermoleculen van de eerste laag, die nu vormen vormen parallel aan de grafeenlaag. Als er een tweede laag watermoleculen wordt toegevoegd, de moleculen van de eerste en tweede laag vormen 3D-structuren die tetraëders worden genoemd, die op een piramide lijken, maar met een driehoekige basis. nieuwsgierig, deze tetraëders zijn meestal naar beneden gericht (naar de grafeenlaag), omdat deze oriëntatie "energetisch gunstig" is. Met andere woorden, de volgorde van de eerste laag vertaalt zich naar de tweede om deze 3D-structuren met een consistente oriëntatie te vormen. Echter, als een derde en meer lagen worden toegevoegd, de tetraëders die zich vormen, wijzen niet noodzakelijk naar beneden en lijken in plaats daarvan vrij in elke richting te wijzen, beïnvloed door de omringende krachten. "Deze resultaten bevestigen dat de overgang tussen oppervlaktewater en vrij water plaatsvindt binnen slechts drie lagen water, " legt prof Yamamoto uit.

De onderzoekers hebben een video gemaakt van een van hun simulaties waarin deze 2D- en 3D-structuren worden gemarkeerd, waardoor men het volledige plaatje kan begrijpen. "Ons onderzoek is een goed voorbeeld van de toepassing van moderne data-analysetechnieken om nieuwe en belangrijke inzichten te verkrijgen, " voegt prof. Yamamoto toe. Wat meer is, deze voorspellingen zouden niet moeilijk moeten zijn om experimenteel te meten op grafeen door middel van atoomkrachtmicroscopietechnieken, welke zou, zonder twijfel, het bestaan ​​van deze structuren bevestigen en de combinatie van gebruikte technieken verder valideren. Prof Yamamoto concludeert:"Hoewel grafeen een vrij eenvoudig oppervlak is en we meer gecompliceerde waterstructuren op andere soorten materialen kunnen verwachten, onze studie biedt een startpunt voor discussies over meer realistische oppervlakte-effecten, en we verwachten dat dit zal leiden tot de controle van oppervlakte-eigenschappen."