Vattendynamiken nära fasta ytor spelar en avgörande roll i många tekniker, inklusive vattenfiltrering och rening, kromatografi och katalys. Ett välkänt sätt att påverka den dynamiken, vilket i sin tur påverkar hur vatten "väter" en yta, är att ändra ythydrofobicitet, eller i vilken utsträckning ytan avvisar vatten. Sådana ändringar kan uppnås genom att ändra den genomsnittliga täckningen, eller ytdensitet, av hydrofoba kemiska grupper på gränssnittet.

Nu, i ett papper publicerat i Förfaranden från National Academy of Sciences , huvudförfattare Jacob Monroe, en femte års doktorsexamen student på labbet för kemikalieingenjören UC Santa Barbara M. Scott Shell, ger ett nytt perspektiv på de faktorer som styr denna dynamik. Genom att använda datasimuleringar för att designa ytorna, forskarna kunde identifiera ett mer nyanserat sätt på vilket ythydrofobicitet påverkar vattendynamiken vid ett gränssnitt. Fynden kan ha viktiga konsekvenser för membran, särskilt de som används vid vattenfiltrering.

"Det vi ser är att bara förändra mönstret ensam - fördelningen av de hydrofoba och hydrofila grupperna, utan att ändra den genomsnittliga ytdensiteten - ger ganska stora effekter vid ett gränssnitt, "Sade Monroe." Det är värdefullt att veta om jag vill att vatten ska rinna genom ett membran optimalt. "

Monroe och hans kollegor fann att om de ordnar alla hydrofoba grupper tillsammans och gör ytan väldigt ojämn, vattnet rör sig snabbare; om de sprider dem alla isär, vattnet saktar ner. "Om membranet vore för vattenfiltrering, du kanske vill att vattnet ska röra sig snabbt över det, "Monroe noterade, "men du kanske också vill att vattnet ska sitta vid ytan för att hjälpa till att avvisa partiklar som fastnar vid det och skämmer bort membranet."

Hydrofoba och hydrofila grupper är ofta närvarande med viss densitet i många typer av material, och medan hastigheten med vilken vatten rör sig nära en yta inte är den enda faktorn som påverkar hur ett membran presterar, Monroe föreslår att förstå denna dynamik är ett steg mot att designa mer effektiva membran. Och det, i tur och ordning, avser energikostnaden för filtrering och hur lätt föroreningar kan fastna vid membranväggarna och, Således, tas bort från vattnet.

Forskarna har ännu inte använt informationen om ytmönster för att designa material för specifika applikationer, även om de planerar. Men deras upptäckt om mönster har omedelbar relevans för tolkning av experiment, eftersom det betyder att bedömning av ytdensiteten hos hydrofoba grupper ensam inte är tillräckligt för att karakterisera materialet.

Monroe och Shell upptäckte distributionseffekten genom att kombinera simuleringar av molekylär dynamik med en genetisk algoritmoptimering, som helt enkelt är en algoritm som emulerar naturlig utveckling-här används för att identifiera ytmönster som antingen ökar eller minskar ytvattenrörligheten.

"Det är ungefär som ett avelsprogram, "Förklarade Monroe." Om du hade en pool av hundar och du ville ha en viss sorts hund, säg en som är större eller har en kortare svans eller ett större huvud, du skulle föda upp de hundar som har dessa egenskaper. Vi gör samma sak på en dator, men vårt mål är att designa en yta med specifika egenskaper som gör att den kan prestera som vi vill. Du behöver träningsvärdet, och sedan kan du ställa in den genetiska algoritmen för att optimera specifika prestandaegenskaper, till exempel, att få vatten att röra sig snabbt över ett membran eller att adsorbera på en yta. I ett annat fall, det kan vara hur snabbt vattnet rör sig genom en enda por i ytan. Och i en annan, vi skulle kunna se om en art av föroreningar fastnar och en annan inte.

"Så, vi kör molekylära dynamiksimuleringar för att bedöma dessa egenskaper, "fortsatte han." Vi tilldelar varje individ en kondition, och sedan hybridiserar vi de mest passande individerna rumsligt och driver systemen mot de egenskaper vi vill att de ska ha. "

Monroe tror att denna metod för sub-nanoskala ytmönster är en viktig designparameter för konstruktion av fastvattengränssnitt för flera applikationer, och att det kan ge en bred strategi för konstruktionsmaterial som har utformat hydratiserings-vattendynamik.

"Detta arbete är spännande eftersom det för första gången visar att mönster på nanoskala på ytor är ett effektivt sätt att konstruera material som ger upphov till unik vattendynamik, "Shell sa." Man har länge trott att biologiska molekyler, som proteiner, använda ytkemisk mönster för att påverka vattendynamiken mot funktionella ändar, såsom accelererande bindningshändelser som ligger till grund för många biomolekylära processer. Vi har nu använt en beräkningsoptimeringsalgoritm för att 'lära' hur dessa mönster ska se ut i syntetiska material med målprestandaegenskaper. Resultaten tyder på ett nytt sätt att designa ytor för att exakt kontrollera vattendynamiken nära dem, vilket blir mycket viktigt för kemiska separationer och katalysuppgifter. "