La dinámica del agua cerca de superficies sólidas juega un papel crítico en numerosas tecnologías, incluida la filtración y purificación de agua, cromatografía y catálisis. Una forma bien conocida de influir en esas dinámicas, que a su vez afecta la forma en que el agua "moja" una superficie, es modificar la hidrofobicidad de la superficie, o la medida en que la superficie repele el agua. Tales modificaciones se pueden lograr alterando la cobertura promedio, o densidad superficial, de grupos químicos hidrofóbicos en la interfaz.

Ahora, en un artículo publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , autor principal Jacob Monroe, un doctorado de quinto año. estudiante en el laboratorio del ingeniero químico de UC Santa Bárbara M. Scott Shell, proporciona una nueva perspectiva sobre los factores que controlan estas dinámicas. Mediante el uso de simulaciones por computadora para diseñar las superficies, los investigadores pudieron identificar una forma más matizada en la que la hidrofobicidad de la superficie influye en la dinámica del agua en una interfaz. Los hallazgos podrían tener ramificaciones importantes para las membranas, especialmente los que se utilizan en la filtración de agua.

"Lo que estamos viendo es que solo cambiando el patrón, la distribución de esos grupos hidrofóbicos e hidrofílicos, sin cambiar las densidades de superficie promedio, produce efectos bastante grandes en una interfaz, ", Dijo Monroe." Es valioso saber si quiero que el agua fluya a través de una membrana de manera óptima ".

Monroe y sus colegas descubrieron que si arreglan todos los grupos hidrófobos juntos y hacen que la superficie sea muy irregular, el agua se mueve más rápido; si los esparcen a todos, el agua se ralentiza. "Si la membrana fuera para filtrar agua, es posible que desee que el agua se mueva rápidamente a través de él, "Monroe señaló, "pero es posible que también desee que el agua se asiente en la superficie para ayudar a repeler las partículas que se adhieren y ensucian la membrana".

Los grupos hidrófobos e hidrófilos a menudo están presentes con cierta densidad en muchos tipos de materiales, y aunque la velocidad a la que el agua se mueve cerca de una superficie no es el único factor que influye en el rendimiento de una membrana, Monroe sugiere que comprender esas dinámicas es un paso hacia el diseño de membranas más eficientes. Y eso, Sucesivamente, se relaciona con el costo energético de la filtración y con la facilidad con que los contaminantes pueden adherirse a las paredes de la membrana y, por lo tanto, ser removido del agua.

Los investigadores aún no han utilizado la información sobre patrones de superficie para diseñar materiales para aplicaciones específicas. aunque planean hacerlo. Pero su descubrimiento sobre la creación de patrones tiene una relevancia inmediata para interpretar experimentos, porque significa que la evaluación de la densidad superficial de los grupos hidrófobos por sí sola no es suficiente para caracterizar el material.

Monroe y Shell descubrieron el efecto de distribución combinando simulaciones de dinámica molecular con una optimización de algoritmo genético, que es simplemente un algoritmo que emula la evolución natural; aquí se utiliza para identificar patrones de superficie que aumentan o disminuyen la movilidad del agua superficial.

"Es como un programa de cría, ", Explicó Monroe." Si tuvieras un grupo de perros y quisieras cierto tipo de perro, digamos uno que sea más grande o tenga una cola más corta o una cabeza más grande, criarías los perros que tienen esas características. Hacemos lo mismo en una computadora, pero nuestro objetivo es diseñar una superficie con características específicas que le permitan funcionar como queremos. Necesitas la métrica de aptitud y luego puede ajustar el algoritmo genético para optimizar características de rendimiento específicas, por ejemplo, hacer que el agua se mueva rápidamente a través de una membrana o se adsorba en una superficie. En otro caso, podría ser la rapidez con la que se mueve el agua a través de un solo poro en la superficie. Y en otro podríamos ver si una especie de contaminante se adhiere y otra no.

"Entonces, realizamos simulaciones de dinámica molecular para evaluar esas propiedades, ", continuó." Asignamos un nivel de aptitud a cada individuo, y luego hibridamos a los individuos más aptos espacialmente y dirigimos los sistemas hacia las propiedades que queremos que tengan ".

Monroe cree que este método de modelado de superficies a sub-nanoescala es un parámetro de diseño importante para la ingeniería de interfaces de agua sólida para múltiples aplicaciones. y que puede proporcionar una estrategia amplia para los materiales de ingeniería que han diseñado la dinámica del agua de hidratación.

"Este trabajo es emocionante porque muestra por primera vez que la creación de patrones a nanoescala en las superficies es un medio eficaz de ingeniería de materiales que dan lugar a una dinámica del agua única". "Dijo Shell." Durante mucho tiempo se pensó que las moléculas biológicas, como proteínas, utilizar patrones químicos de la superficie para influir en la dinámica del agua hacia fines funcionales, como acelerar los eventos de unión que subyacen a muchos procesos biomoleculares. Ahora hemos utilizado un algoritmo de optimización computacional para "aprender" cómo deberían verse estos patrones en materiales sintéticos que tienen características de rendimiento objetivo. Los resultados sugieren una nueva forma de diseñar superficies para controlar con precisión la dinámica del agua cerca de ellas. que se vuelve muy importante para las separaciones químicas y las tareas de catálisis ".