I en studie som nyligen publicerades i tidskriften Nanoscale , använder forskare från Kanazawa University och AGC Inc. tredimensionell atomkraftsmikroskopi för att studera den hydratiserade formen och strukturen hos vanligt förekommande oxidkristaller.
Medan safir och kvarts är oxidkristaller som används i ett brett spektrum av industriella tillämpningar, är strukturerna i atomskala för dessa material inte väl förstådda. De viktigaste kemiska komponenterna i safir och kvarts är aluminiumoxid respektive kiseldioxid. Dessa komponenter har hög affinitet för vatten, vilket påverkar kristallernas kemiska reaktivitet. Därför är en grundlig kunskap om dessa oxiders vattenbindande egenskaper viktig för ytterligare innovativa tillämpningar.
Hittills har traditionella mikroskopiska metoder endast gett insikter i den tvådimensionella topografin av deras ytor. Nu har ett forskarlag under ledning av Keisuke Miyazawa från NanoLSI vid Kanazawa University utvecklat tredimensionell (3D) mikroskopiteknik för en detaljerad studie av interaktionen mellan dessa materials ytor och vatten.
Teamet började med att titta på ytstrukturerna och dess hydratiseringsstrukturer av safir och α-kvarts i vatten. För detta använde de en avancerad form av mikroskopi känd som 3D atomic force microscopy (3D-AFM). Oxidkristaller har vanligtvis hydroxylgrupper (OH), som är de huvudsakliga "vattenbindande" molekylerna, nära förbundna med oxiderna. Därför studerade teamet OH-grupperna och dess hydratiseringsstrukturer på båda kristallerna när de var nedsänkta i vatten.
De fann att hydratiseringsskiktet på safir inte var enhetligt på grund av de olikformiga lokala fördelningarna av OH-grupperna på ytan. Å andra sidan var hydratiseringsskiktet på α-kvarts enhetligt på grund av de atomärt plana fördelningarna av OH-grupperna på ytan.
När växelverkanskraften för dessa oxider för vatten därefter mättes, fann man att en större kraft krävdes för att bryta vattenkristallbindningarna i safir än i α-kvarts. Man upptäckte också att denna affinitet var mycket högre i regioner där oxiderna var i närheten av OH-grupperna.
Denna studie visade att hydreringsstrukturerna för oxider är beroende av OH-gruppernas placering och täthet, förutom OH-gruppernas vätebindningsstyrka (den kemiska bindning som används för att binda till vatten). Dessutom visades det framgångsrikt här att 3D-AFM kan användas för att reda ut växelverkan mellan vatten och flera ytor, en potentiell väg för att bättre förstå fast-vätske-interaktioner.
"Denna studie bidrar till tillämpningen av 3D-AFM för att utforska hydratiseringsstrukturer i atomär skala på olika ytor, och därmed till ett brett spektrum av fast-vätskegränssnittsforskningsfält", avslutar forskarna.
3D atomic force microscopy (3D-AFM):AFM är en avancerad form av mikroskopi där en vass spets är monterad på en konsol och följer ytan av en molekyl. När den gör det avger spetsen signaler baserat på dess rörelse, vilket hjälper till att identifiera molekylens topografi. För att förstå molekylernas djupare strukturer krävs dock en tredimensionell översikt över deras ytor. Således använde forskare en mer avancerad version av AFM i denna studie, som fångade strukturen av hydratiserade kristaller i 3D.
Mer information: Sho Nagai et al, Tredimensionell ordning av vattenmolekyler som reflekterar hydroxylgrupper på safir- (001) och α-kvartsytor (100), Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D3NR02498A
Journalinformation: Nanoskala
Tillhandahålls av Kanazawa University
