Hydration betyder noget:Interaktionsmønstrene mellem vand og oxidkrystaller afsløret

I en undersøgelse for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nanoscale , bruger forskere fra Kanazawa University og AGC Inc. tredimensionel atomkraftmikroskopi til at studere den hydrerede form og struktur af almindeligt forekommende oxidkrystaller.

Mens safir og kvarts er oxidkrystaller, der bruges i en bred vifte af industrielle applikationer, er disse materialers atomare skalastrukturer ikke godt forstået. De vigtigste kemiske komponenter i safir og kvarts er henholdsvis aluminiumoxid og siliciumdioxid. Disse komponenter har en høj affinitet til vand, hvilket påvirker krystallernes kemiske reaktivitet. Derfor er et indgående kendskab til disse oxiders vandbindende egenskaber vigtigt for yderligere innovative anvendelser.

Til dato har traditionelle mikroskopiske metoder kun givet indsigt i den todimensionelle topografi af deres overflader. Nu har et forskerhold ledet af Keisuke Miyazawa fra NanoLSI ved Kanazawa University udviklet tredimensionel (3D) mikroskopiteknik til en detaljeret undersøgelse af interaktionen mellem overfladerne af disse materialer og vand.

Holdet startede med at se på overfladestrukturerne og dens hydreringsstrukturer af safir og α-kvarts i vand. Til dette brugte de en avanceret form for mikroskopi kendt som 3D atomic force microscopy (3D-AFM). Oxidkrystaller har normalt hydroxyl (OH) grupper, som er de vigtigste "vandbindende" molekyler, tæt forbundet med oxiderne. Derfor studerede holdet OH-grupperne og dets hydreringsstrukturer på begge krystaller, når de var nedsænket i vand.

De fandt, at hydreringslaget på safir ikke var ensartet på grund af de uensartede lokale fordelinger af overfladens OH-grupper. På den anden side var hydreringslaget på α-kvarts ensartet på grund af de atomare flade fordelinger af overfladens OH-grupper.

Da vekselvirkningskraften af ​​disse oxider for vand efterfølgende blev målt, viste det sig, at der var behov for en større kraft for at bryde vand-krystal-bindingerne i safir end i α-kvarts. Det blev også opdaget, at denne affinitet var meget højere i områder, hvor oxiderne var tæt på OH-grupperne.

Denne undersøgelse viste, at hydreringsstrukturerne af oxider er afhængige af placeringen og tætheden af ​​OH-grupper, foruden hydrogenbindingsstyrken (den kemiske binding, der bruges til at binde til vand) af OH-grupperne. Hvad mere er, blev det med succes vist her, at 3D-AFM kan bruges til at optrevle samspillet mellem vand og flere overflader, en potentiel mulighed for bedre at forstå fast-væske-interaktioner.

"Denne undersøgelse bidrager til anvendelsen af ​​3D-AFM til at udforske hydratiseringsstrukturer i atomare skala på forskellige overflader og dermed til en bred vifte af fast-flydende grænsefladeforskningsfelter," konkluderer forskerne.

3D atomic force microscopy (3D-AFM):AFM er en avanceret form for mikroskopi, hvor en skarp spids er monteret på en cantilever og følger overfladen af ​​et molekyle. Mens den gør det, udsender spidsen signaler baseret på dens bevægelse, hvilket hjælper med at identificere molekylets topografi. Forståelse af molekylers dybere strukturer kræver dog et tredimensionelt overblik over deres overflader. Forskere brugte således en mere avanceret version af AFM i denne undersøgelse, som fangede strukturen af ​​hydrerede krystaller i 3D.

Flere oplysninger: Sho Nagai et al., Tredimensionel rækkefølge af vandmolekyler, der reflekterer hydroxylgrupper på safir (001) og α-kvarts (100) overflader, Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D3NR02498A

Journaloplysninger: Nanoskala

Leveret af Kanazawa University