Att förstå de olika molekylära interaktionerna och strukturerna som uppstår mellan ytvattenmolekyler skulle göra det möjligt för forskare och ingenjörer att utveckla alla typer av nya hydrofoba/hydrofila material eller förbättra befintliga. Till exempel, friktionen orsakad av vatten på fartyg skulle kunna minskas genom materialteknik, leder till högre effektivitet. Andra applikationer inkluderar, men är inte begränsade till, medicinska implantat och isbildningsytor för flygplan. Dock, de fenomen som uppstår i ytvatten är så komplicerade att Tokyo University of Science, Japan, har etablerat ett särskilt forskningscenter, kallad "Water Frontier Science and Technology, " där olika forskargrupper tar sig an detta problem från olika vinklar (teoretisk analys, experimentella studier, materialutveckling, och så vidare). Prof Takahiro Yamamoto leder en grupp forskare vid detta center, och de försöker lösa detta mysterium genom simuleringar av de mikroskopiska strukturerna, egenskaper, och funktioner av vatten på ytan av material.

Särskilt för denna studie, som publicerades i Japanese Journal of Applied Physics , forskarna från Tokyo University of Science, i samarbete med forskare från Science Solutions Division, Mizuho Information &Research Institute, Inc., fokuserade på växelverkan mellan vattenmolekyler och grafen, ett laddningsneutralt kolbaserat material som kan göras atomärt platt. "Ytvatten på kolnanomaterial som grafen har väckt stor uppmärksamhet eftersom egenskaperna hos dessa material gör dem idealiska för att studera ytvattens mikroskopiska struktur, " förklarar Prof Yamamoto. Det hade redan påpekats i tidigare studier att vattenmolekyler på grafen tenderar att bilda stabila polygonala (2-D) former i både ytvatten och "fritt" vatten (vattenmolekyler bort från ytan av materialet) Dessutom, det hade noterats att sannolikheten att hitta dessa strukturer var drastiskt annorlunda i ytvatten än i fritt vatten. Dock, skillnaderna mellan ytvatten och fritt vatten måste fastställas, och övergången mellan de två är svår att analysera med konventionella simuleringsmetoder.

Med tanke på denna situation, forskargruppen beslutade att kombinera en metod hämtad från datavetenskap, kallas persistent homologi (PH), med simuleringar av molekylär dynamik. PH möjliggör karakterisering av datastrukturer, inklusive de som finns i bilder/grafik, men det kan också användas inom materialvetenskap för att hitta stabila 3D-strukturer mellan molekyler. "Vår studie representerar första gången PH användes för en strukturell analys av vattenmolekyler, " anmärker Prof Yamamoto. Med denna strategi, forskarna kunde få en bättre uppfattning om vad som händer med ytvattenmolekyler när fler lager vatten läggs ovanpå.

När ett enda lager av vattenmolekyler läggs ovanpå grafen, vattenmolekylerna riktar sig så att deras väteatomer bildar stabila polygonala strukturer med olika antal sidor genom vätebindningar. Detta "fixar" orienteringen och den relativa positionen för dessa första lagervattenmolekyler, som nu bildar former parallellt med grafenskiktet. Om ett andra lager av vattenmolekyler läggs till, molekylerna från det första och andra lagret bildar 3D-strukturer som kallas tetraedrar, som liknar en pyramid men med en triangulär bas. Nyfiket, dessa tetraedrar pekar mestadels nedåt (mot grafenskiktet), eftersom denna orientering är "energetiskt gynnsam". Med andra ord, ordningen från det första lagret översätts till det andra för att bilda dessa 3D-strukturer med en konsekvent orientering. Dock, när ett tredje och fler lager läggs till, tetraedrarna som bildas pekar inte nödvändigtvis nedåt utan verkar istället vara fria att peka i vilken riktning som helst, styrda av de omgivande krafterna. "Dessa resultat bekräftar att korsningen mellan ytvatten och fritt vatten sker inom endast tre lager vatten, " förklarar Prof Yamamoto.

Forskarna har tillhandahållit en video av en av deras simuleringar där dessa 2D- och 3D-strukturer framhävs, så att man kan förstå hela bilden. "Vår studie är ett bra exempel på tillämpningen av moderna dataanalystekniker för att få nya och viktiga insikter, ", tillägger Prof Yamamoto. Dessutom dessa förutsägelser borde inte vara svåra att mäta experimentellt på grafen genom atomkraftsmikroskopi, vilket skulle, utan tvekan, bekräfta förekomsten av dessa strukturer och ytterligare validera kombinationen av tekniker som används. Prof Yamamoto avslutar:"Även om grafen är en ganska enkel yta och vi kan förvänta oss mer komplicerade vattenstrukturer på andra typer av material, vår studie ger en utgångspunkt för diskussioner om mer realistiska yteffekter, och vi förväntar oss att det kommer att leda till kontroll av ytegenskaper."