Kemiske ingeniører afslører måder at mønstre faste overflader på for at forbedre, hvordan vand interagerer med dem

Vandets dynamik nær faste overflader spiller en afgørende rolle i talrige teknologier, herunder vandfiltrering og rensning, kromatografi og katalyse. En velkendt måde at påvirke denne dynamik på, hvilket igen påvirker, hvordan vand "væder" en overflade, er at ændre overfladens hydrofobicitet, eller i hvilket omfang overfladen afviser vand. Sådanne ændringer kan opnås ved at ændre den gennemsnitlige dækning, eller overfladedensitet, af hydrofobe kemiske grupper på grænsefladen.

Nu, i et papir udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences , hovedforfatter Jacob Monroe, en femte års ph.d. studerende i laboratoriet hos UC Santa Barbara kemiingeniør M. Scott Shell, giver et nyt perspektiv på de faktorer, der styrer disse dynamikker. Ved at bruge computersimuleringer til at designe overfladerne, forskerne var i stand til at identificere en mere nuanceret måde, hvorpå overfladehydrofobicitet påvirker vanddynamikken ved en grænseflade. Resultaterne kan have vigtige konsekvenser for membraner, især dem, der bruges til vandfiltrering.

"Det, vi ser, er, at blot at ændre mønstret alene - fordelingen af ​​disse hydrofobe og hydrofile grupper, uden at ændre den gennemsnitlige overfladetæthed - producerer ret store effekter ved en grænseflade, " sagde Monroe. "Det er værdifuldt at vide, hvis jeg vil have vand til at strømme gennem en membran optimalt."

Monroe og hans kolleger fandt ud af, at hvis de arrangerer alle de hydrofobe grupper sammen og gør overfladen meget pletvis, vandet bevæger sig hurtigere; hvis de spreder dem alle sammen, vandet bremses. "Hvis membranen var til vandfiltrering, du vil måske have vandet til at bevæge sig hurtigt hen over det, " bemærkede Monroe, "men du vil måske også have vandet til at sidde ved overfladen for at hjælpe med at afvise partikler, der klæber til det og forurener membranen."

Hydrofobe og hydrofile grupper er ofte til stede i en vis tæthed i mange typer materialer, og mens den hastighed, hvormed vand bevæger sig nær en overflade, ikke er den eneste faktor, der påvirker, hvordan en membran fungerer, Monroe foreslår, at forståelsen af ​​disse dynamikker er et skridt i retning af at designe mere effektive membraner. Og det, på tur, relaterer sig til energiomkostningerne ved filtrering og til, hvor let forurenende stoffer kan klæbe til membranvæggene og, dermed, fjernes fra vandet.

Forskerne har endnu ikke brugt informationen om overflademønster til at designe materialer til specifikke applikationer, selvom de planlægger det. Men deres fund om mønsterdannelse har umiddelbar relevans for fortolkning af eksperimenter, fordi det betyder, at vurdering af overfladedensiteten af ​​hydrofobe grupper alene ikke er nok til at karakterisere materialet.

Monroe og Shell opdagede fordelingseffekten ved at kombinere simuleringer af molekylær dynamik med en genetisk algoritme optimering, som simpelthen er en algoritme, der emulerer naturlig evolution - her brugt til at identificere overflademønstre, der enten øger eller mindsker overfladevandsmobilitet.

"Det er lidt ligesom et avlsprogram, Monroe forklarede. "Hvis du havde en pool af hunde, og du ville have en bestemt slags hund, sige en, der er større eller har en kortere hale eller et større hoved, du ville opdrætte de hunde, der har disse egenskaber. Vi gør det samme på en computer, men vores mål er at designe en overflade med specifikke egenskaber, der gør det muligt for den at udføre, som vi ønsker det. Du har brug for fitness-metrikken, og så kan du tune den genetiske algoritme for at optimere specifikke præstationskarakteristika, for eksempel, at få vand til at bevæge sig hurtigt hen over en membran eller at adsorbere på en overflade. I et andet tilfælde, det kan være, hvor hurtigt vand bevæger sig gennem en enkelt pore i overfladen. Og i en anden, vi kunne se på, om en art af forurenende stoffer klæber, og en anden ikke gør.

"Så, vi kører molekylær dynamik simuleringer for at vurdere disse egenskaber, " fortsatte han. "Vi tildeler et niveau af fitness til hver enkelt, og så hybridiserer vi de bedst egnede individer rumligt og driver systemerne mod de egenskaber, vi ønsker, de skal have."

Monroe mener, at denne metode til sub-nanoskala overflademønster er en vigtig designparameter til konstruktion af fast-vand-grænseflader til flere applikationer, og at det kan give en bred strategi for ingeniørmaterialer med designet hydrering-vand-dynamik.

"Dette arbejde er spændende, fordi det for første gang viser, at mønstre i nanoskala på overflader er et effektivt middel til at konstruere materialer, der giver anledning til unik vanddynamik, " sagde Shell. "Det har længe været troet, at biologiske molekyler, som proteiner, bruge kemisk overflademønster til at påvirke vanddynamikken mod funktionelle mål, såsom accelererende bindingsbegivenheder, der ligger til grund for mange biomolekylære processer. Vi har nu brugt en beregningsmæssig optimeringsalgoritme til at 'lære', hvordan disse mønstre skal se ud i syntetiske materialer med målpræstationskarakteristika. Resultaterne tyder på en ny måde at designe overflader til præcist at kontrollere vanddynamikken i nærheden af ​​dem, hvilket bliver meget vigtigt for kemiske separationer og katalyseopgaver."