Vandets form:Sådan ser vandmolekyler ud på overfladen af ​​materialer

Forståelse af de forskellige molekylære interaktioner og strukturer, der opstår blandt overfladevandsmolekyler, ville gøre det muligt for videnskabsmænd og ingeniører at udvikle alle mulige nye hydrofobe/hydrofile materialer eller forbedre eksisterende. For eksempel, friktionen forårsaget af vand på skibe kan reduceres gennem materialeteknik, fører til højere effektivitet. Andre applikationer inkluderer, men er ikke begrænset til, medicinske implantater og anti-isningsoverflader til flyvemaskiner. Imidlertid, de fænomener, der opstår i overfladevand, er så komplicerede, at Tokyo University of Science, Japan, har etableret et dedikeret forskningscenter, kaldet "Water Frontier Science and Technology, "hvor forskellige forskergrupper tackler dette problem fra forskellige vinkler (teoretisk analyse, eksperimentelle undersøgelser, materialeudvikling, og så videre). Prof Takahiro Yamamoto leder en gruppe videnskabsmænd på dette center, og de forsøger at løse dette mysterium gennem simuleringer af de mikroskopiske strukturer, ejendomme, og funktioner af vand på overfladen af ​​materialer.

Især til denne undersøgelse, som blev offentliggjort i Japanese Journal of Applied Physics , forskerne fra Tokyo University of Science, i samarbejde med forskere fra Science Solutions Division, Mizuho Information &Research Institute, Inc., fokuseret på samspillet mellem vandmolekyler og grafen, et ladningsneutralt kulstofbaseret materiale, der kan gøres atomisk fladt. "Overfladevand på kulstof nanomaterialer såsom grafen har tiltrukket sig stor opmærksomhed, fordi egenskaberne af disse materialer gør dem ideelle til at studere den mikroskopiske struktur af overfladevand, " forklarer Prof Yamamoto. Det var allerede blevet påpeget i tidligere undersøgelser, at vandmolekyler på grafen har tendens til at danne stabile polygonale (2-D) former i både overfladevand og "frit" vand (vandmolekyler væk fra materialets overflade) . I øvrigt, det var blevet bemærket, at sandsynligheden for at finde disse strukturer var drastisk anderledes i overfladevand end i frit vand. Imidlertid, forskellene mellem overfladevand og frit vand skal fastslås, og overgangen mellem de to er svær at analysere ved hjælp af konventionelle simuleringsmetoder.

I betragtning af denne situation, forskerholdet besluttede at kombinere en metode hentet fra datavidenskab, kaldet persistent homologi (PH), med simuleringer af molekylær dynamik. PH giver mulighed for karakterisering af datastrukturer, inklusive dem, der er indeholdt i billeder/grafik, men det kan også bruges i materialevidenskab til at finde stabile 3-D strukturer mellem molekyler. "Vores undersøgelse repræsenterer første gang PH blev brugt til en strukturel analyse af vandmolekyler, " bemærker Prof Yamamoto. Med denne strategi, forskerne var i stand til at få en bedre idé om, hvad der sker med overfladevandsmolekyler, efterhånden som flere lag vand kommer ovenpå.

Når et enkelt lag af vandmolekyler lægges oven på grafen, vandmolekylerne justerer sig således, at deres brintatomer danner stabile polygonale strukturer med forskelligt antal sider gennem hydrogenbindinger. Dette "fikser" orienteringen og den relative position af disse førstelags vandmolekyler, som nu danner former parallelt med grafenlaget. Hvis der tilføjes et andet lag af vandmolekyler, molekylerne fra det første og andet lag danner 3D-strukturer kaldet tetraeder, som ligner en pyramide, men med en trekantet base. Mærkeligt nok, disse tetraeder peger for det meste nedad (mod grafenlaget), fordi denne orientering er "energetisk gunstig." Med andre ord, rækkefølgen fra det første lag oversættes til det andet for at danne disse 3-D strukturer med en ensartet orientering. Imidlertid, efterhånden som et tredje og flere lag tilføjes, de tetraeder, der dannes, peger ikke nødvendigvis nedad og ser i stedet ud til at være frie til at pege i enhver retning, påvirket af de omgivende kræfter. "Disse resultater bekræfter, at krydsningen mellem overfladevand og frit vand sker inden for kun tre lag vand, " forklarer prof Yamamoto.

Forskerne har leveret en video af en af ​​deres simuleringer, hvor disse 2-D og 3-D strukturer er fremhævet, så man kan forstå det fulde billede. "Vores undersøgelse er et godt eksempel på anvendelsen af ​​moderne dataanalyseteknikker for at få ny og vigtig indsigt, " tilføjer Prof Yamamoto. Hvad mere er, disse forudsigelser burde ikke være svære at måle eksperimentelt på grafen gennem atomkraftmikroskopiteknikker, som ville, uden tvivl, bekræfte eksistensen af ​​disse strukturer og yderligere validere kombinationen af ​​anvendte teknikker. Prof Yamamoto konkluderer:"Selvom grafen er en ret simpel overflade, og vi kunne forvente mere komplicerede vandstrukturer på andre typer materialer, vores undersøgelse giver et udgangspunkt for diskussioner af mere realistiske overfladeeffekter, og vi forventer, at det vil føre til kontrol af overfladeegenskaber."