Kemisk topologi af silica kan påvirke effektiviteten af ​​mange kemiske processer, der bruger det

Bedre kendt som glas, silica er et alsidigt materiale, der bruges i utallige industrielle processer, fra katalyse og filtrering, til kromatografi og nanofabrikation. På trods af dens allestedsnærværende i laboratorier og renrum, overraskende lidt er kendt om silica's overfladeinteraktioner med vand på et molekylært niveau.

"Den måde, hvorpå vand interagerer med en overflade, påvirker mange processer, "sagde Songi Han, en UC Santa Barbara professor i kemi og forfatter på en nylig artikel i Procedurer fra National Academy of Sciences . I mange tilfælde, forklarede hun, forskere og ingeniører intuiterer de potentielle interaktioner mellem silica og vand og designudstyr, eksperimenter og processer baseret på empirisk evidens. Men en mekanistisk forståelse af, hvordan den kemiske topologi af silicaoverflader ændrer strukturen af ​​vand på overfladen, kan føre til en rationel udformning af disse processer.

For mange mennesker, glas er glas, og tænker på det klare, hårdt, glat, homogent udseende materiale, som vi bruger til vinduer eller bordservice. Imidlertid, på et dybere niveau, hvad vi kalder "glas", er faktisk et mere komplekst materiale, der kan indeholde forskellige kemiske egenskaber med vidtstrakte fordelinger.

"Glas er et materiale, vi alle kender, men hvad mange mennesker nok ikke ved er, at det er det, vi vil kalde en kemisk heterogen overflade, "sagde forskerstuderende forsker Alex Schrader, hovedforfatter til PNAS papir.

Der er to forskellige typer kemiske grupper, der omfatter glasoverflader, han sagde:silanol (SiOH) grupper, der generelt er hydrofile (vandelskende), eller siloxangrupper (SiOHSi), der typisk er vandafvisende. "Det vi viser, "Sagde Shrader, "er den måde, du arrangerer disse to typer kemi på overfladen i høj grad påvirker, hvordan vand interagerer med overfladen, hvilken, på tur, påvirker fysiske observerbare fænomener, som hvordan vand breder sig på et glas. "

I visse processer, såsom katalyse, for eksempel, silica (alias siliciumdioxid eller SiO2) i form af et hvidligt pulver bruges som understøtning - katalysatoren fastgøres til pulverkornene, som igen bærer det ind i processen. Selvom silica ikke deltager direkte i katalysen, overflademolekylær sammensætning af silicakornene kan påvirke dets effektivitet, hvis den kemiske gruppe overvejende er hydrofil eller hydrofob. Forskerne fandt ud af, at hvis silica har tendens til at have hydrofile silanolgrupper på overfladen, det tiltrækker vandmolekyler, i virkeligheden danner en "blød barriere" af vandmolekyler, som reaktanter skulle overvinde for på en eller anden måde at trænge igennem for at fortsætte med den ønskede proces eller reaktion.

"Der er altid dynamik, og vandmolekylerne skal udveksle deres positioner, og derfor er det kompliceret, "sagde professor i kemiteknik ved UCSB, Jacob Israelachvili, hvis overfladekræfter apparat (SFA) målte interaktionskræfter mellem silicaoverflader over vand. "Du skal bryde et eller andet bånd for at dette andet bånd kan dannes. Og det kan tage tid."

Det er ikke kun den tilstedeværelse af silanolgrupperne, der kan påvirke vandadhæsion til silicaoverflader. Forskerne undrede sig over et ikke -lineært fald i overfladevandets diffusivitet - målt ved Overhausers dynamiske atompolarisationsapparat i Han -laboratoriet - da den kemiske sammensætning af silicaoverfladen flyttede fra hydrofob til hydrofil. Det mysterium blev efterfølgende løst af UCSB -kemiprofessor Scott Shell og hans kandidatstuderende Jacob Monroe, hvis computersimuleringer afslørede det relative arrangement af silanol- og siloxangrupper på overfladen også havde indflydelse på vandadhæsion.

"Hvis du har den samme brøkdel af grupper, der kan lide vand og grupper, der ikke kan lide vand, ved bare at omarrangere dem rumligt, du kan variere vandmobilitet betydeligt, "Sagde Han.

Katalysatordrevne processer er ikke det eneste, der kan forbedres med en molekylær forståelse af silicium-vandadhæsion. Filtrering og kromatografi kan også forbedres.

"Det er også vigtigt i renrumsprocedurer, nanofabrikation og dannelse af mikroprocessorer, "sagde Schrader, der påpegede, at mikroprocessorer er fremstillet på siliciumskiveunderlag med et tyndt lag glas, hvorpå kredsløb lægges. "Det er vigtigt at forstå, hvordan den faktiske overflade af siliciumpladen ser ud på et kemisk niveau, og hvordan disse forskellige metallag, de aflejrer på den, klæber til den, og hvordan de ser ud."