Dat blijkt uit een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in het tijdschrift Nanoscale gebruiken onderzoekers van Kanazawa University en AGC Inc. driedimensionale atoomkrachtmicroscopie om de gehydrateerde vorm en structuur van veel voorkomende oxidekristallen te bestuderen.

Hoewel saffier en kwarts oxidekristallen zijn die in een breed scala aan industriële toepassingen worden gebruikt, zijn de structuren op atomaire schaal van deze materialen niet goed begrepen. De belangrijkste chemische componenten van saffier en kwarts zijn respectievelijk aluminiumoxide en siliciumdioxide. Deze componenten hebben een hoge affiniteit voor water, wat de chemische reactiviteit van de kristallen beïnvloedt. Een grondige kennis van de waterbindende eigenschappen van deze oxiden is dus belangrijk voor verdere innovatieve toepassingen.

Tot nu toe hebben traditionele microscopische methoden alleen inzicht gegeven in de tweedimensionale topografie van hun oppervlakken. Nu heeft een onderzoeksteam onder leiding van Keisuke Miyazawa van de NanoLSI aan de Kanazawa Universiteit een driedimensionale (3D) microscopietechniek ontwikkeld voor een gedetailleerd onderzoek naar de interactie van de oppervlakken van deze materialen met water.

Het team begon met het kijken naar de oppervlaktestructuren en de hydratatiestructuren van saffier en α-kwarts in water. Hiervoor gebruikten ze een geavanceerde vorm van microscopie, bekend als 3D atomic force microscopy (3D-AFM). Oxidekristallen hebben gewoonlijk hydroxylgroepen (OH), de belangrijkste "waterbindende" moleculen, nauw verbonden met de oxiden. Daarom bestudeerde het team de OH-groepen en de hydratatiestructuren ervan op beide kristallen wanneer ze in water werden ondergedompeld.

Ze ontdekten dat de hydratatielaag op saffier niet uniform was vanwege de niet-uniforme lokale verdeling van de OH-groepen aan het oppervlak. Aan de andere kant was de hydratatielaag op α-kwarts uniform vanwege de atomair vlakke verdelingen van de oppervlakte-OH-groepen.

Toen vervolgens de interactiekracht van deze oxiden met water werd gemeten, bleek dat er een grotere kracht nodig was om de waterkristalbindingen in saffier te verbreken dan in α-kwarts. Er werd ook ontdekt dat deze affiniteit veel hoger was in gebieden waar de oxiden zich dicht bij de OH-groepen bevonden.

Deze studie toonde aan dat de hydratatiestructuren van oxiden afhankelijk zijn van de locatie en dichtheid van OH-groepen, naast de sterkte van de waterstofbinding (de chemische binding die wordt gebruikt om aan water te binden). Bovendien werd hier met succes aangetoond dat 3D-AFM kan worden gebruikt bij het ontrafelen van de interactie van water met verschillende oppervlakken, een potentiële manier om de interacties tussen vaste stoffen en vloeistoffen beter te begrijpen.

"Deze studie draagt ​​bij aan de toepassing van 3D-AFM bij het onderzoeken van hydratatiestructuren op atomaire schaal op verschillende oppervlakken, en daarmee aan een breed scala aan onderzoeksgebieden op het grensvlak tussen vaste stoffen en vloeistoffen", concluderen de onderzoekers.

3D-atoomkrachtmicroscopie (3D-AFM):AFM is een geavanceerde vorm van microscopie waarbij een scherpe punt op een cantilever is gemonteerd en het oppervlak van een molecuul volgt. Terwijl hij dit doet, zendt de punt signalen uit op basis van zijn beweging, wat helpt bij het identificeren van de topografie van het molecuul. Het begrijpen van de diepere structuren van moleculen vereist echter een driedimensionaal overzicht van hun oppervlakken. Daarom gebruikten onderzoekers in dit onderzoek een geavanceerdere versie van AFM, die de structuur van gehydrateerde kristallen in 3D vastlegde.

Meer informatie: Sho Nagai et al., Driedimensionale ordening van watermoleculen die hydroxylgroepen reflecteren op saffier- (001) en α-kwarts- (100) oppervlakken, Nanoschaal (2023). DOI:10.1039/D3NR02498A

Journaalinformatie: Nanoschaal

Aangeboden door Kanazawa Universiteit