Bättre känd som glas, kiseldioxid är ett mångsidigt material som används i otaliga industriella processer, från katalys och filtrering, till kromatografi och nanofabrikation. Men trots dess allmänt förekommande i laboratorier och renrum, förvånansvärt lite är känt om kiseldioxidens ytinteraktioner med vatten på molekylär nivå.

"Hur vatten interagerar med en yta påverkar många processer, "sa Songi Han, en UC Santa Barbara professor i kemi och författare på en nyligen publicerad tidning i Förfaranden från National Academy of Sciences . I många fall, hon förklarade, forskare och ingenjörer förstår de potentiella interaktionerna mellan kiseldioxid och vatten och designutrustning, experiment och processer baserade på empiriska bevis. Men en mekanistisk förståelse av hur den kemiska topologin hos kiseldioxidytor förändrar strukturen av vatten vid ytan kan leda till en rationell utformning av dessa processer.

För många personer, glas är glas, och tänker på det tydliga, hård, slät, homogent material som vi använder för fönster eller porslin. Dock, på en djupare nivå är det vi kallar "glas" faktiskt ett mer komplext material som kan innehålla olika kemiska egenskaper med vidsträckta fördelningar.

"Glas är ett material vi alla känner till, men vad många förmodligen inte vet är att det är vad vi skulle kalla en kemiskt heterogen yta, "sade forskarstuderande forskare Alex Schrader, huvudförfattare till PNAS papper.

Det finns två olika typer av kemiska grupper som består av glasytor, han sa:silanol (SiOH) grupper som i allmänhet är hydrofila (vattenälskande), eller siloxangrupper (SiOHSi) som typiskt är vattenavvisande. "Det vi visar, "Shrader sa, "är att sättet du ordnar dessa två typer av kemi på ytan påverkar starkt hur vatten interagerar med ytan, som, i tur och ordning, påverkar fysiskt observerbara fenomen, som hur vatten sprider sig på ett glas. "

I vissa processer som katalys, till exempel, kiseldioxid (alias kiseldioxid eller SiO2) i form av ett vitt pulver används som bärare - katalysatorn fästs vid pulverkornen, som i sin tur bär det in i processen. Även om kiseldioxid inte deltar direkt i katalysen, ytmolekylkompositionen av kiseldioxidkornen kan påverka dess effektivitet om den kemiska gruppen övervägande är hydrofil eller hydrofob. Forskarna fann att om kiseldioxiden tenderar att ha hydrofila silanolgrupper på ytan, det drar till sig vattenmolekyler, i själva verket bilda en "mjuk barriär" av vattenmolekyler som reaktanter skulle behöva övervinna för att på något sätt tränga in för att fortsätta med den önskade processen eller reaktionen.

"Det finns alltid dynamik och vattenmolekylerna måste utbyta sina positioner, och det är därför det är komplicerat, "sade professor i kemiteknik vid UCSB Jacob Israelachvili, vars ytkraftsapparat (SFA) mätte interaktionskrafter mellan kiseldioxidytor över vatten. "Du måste bryta något band för att detta andra band ska bildas. Och det kan ta tid."

Det är inte bara närvaron av silanolgrupperna som kan påverka vattenhäftning till kiseldioxidytor. Forskarna undrade över en olinjär minskning av ytvattens diffusivitet - mätt av Overhausers dynamiska kärnpolarisationsapparat i Han -labbet - när den kemiska sammansättningen av kiseldioxidytan flyttade från hydrofob till hydrofil. Det mysteriet löstes därefter av UCSB -kemiprofessorn Scott Shell och hans doktorand Jacob Monroe, vars datasimuleringar avslöjade det relativa arrangemanget av silanol- och siloxangrupper på ytan hade också inflytande på vattenhäftning.

"Om du har samma bråkdel av grupper som gillar vatten och grupper som inte gillar vatten, genom att bara ordna om dem rumsligt, du kan variera vattenrörligheten avsevärt, "Sa Han.

Katalysatordrivna processer är inte det enda som kan förbättras med en molekylär förståelse för vidhäftning av kiseldioxid-vatten. Filtrering och kromatografi kan också förbättras.

"Det är också viktigt i renrumsförfaranden, nanofabrication och mikroprocessorbildning, "sade Schrader, som påpekade att mikroprocessorer är tillverkade på kiselskivunderlag med ett tunt lager av glas, på vilka kretsar läggs. "Det är viktigt att förstå hur den faktiska ytan på kiselskivan ser ut på en kemisk nivå och hur dessa olika metallskikt som de sätter på den fastnar på den och hur de ser ut."