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    La forma del agua:cómo se ven las moléculas de agua en la superficie de los materiales.

    La combinación de técnicas de análisis de datos con simulaciones de dinámica molecular puede ayudarnos a comprender la estructura del agua en las superficies de los materiales. Crédito:Universidad de Ciencias de Tokio

    Comprender las diversas interacciones y estructuras moleculares que surgen entre las moléculas de agua superficial permitiría a los científicos e ingenieros desarrollar todo tipo de nuevos materiales hidrófobos / hidrófilos o mejorar los existentes. Por ejemplo, la fricción causada por el agua en los barcos podría reducirse mediante la ingeniería de materiales, conduciendo a una mayor eficiencia. Otras aplicaciones incluyen, pero no se limitan a, implantes médicos y superficies antihielo para aviones. Sin embargo, Los fenómenos que ocurren en las aguas superficiales son tan complicados que la Universidad de Ciencias de Tokio, Japón, ha establecido un centro de investigación dedicado, llamado "Ciencia y tecnología de la frontera del agua, "donde varios grupos de investigación abordan este problema desde diferentes ángulos (análisis teórico, Estudios experimentales, desarrollo material, etcétera). El profesor Takahiro Yamamoto dirige un grupo de científicos en este centro, e intentan resolver este misterio mediante simulaciones de las estructuras microscópicas, propiedades, y funciones del agua en la superficie de los materiales.

    Para este estudio en particular, que fue publicado en el Revista japonesa de física aplicada , los investigadores de la Universidad de Ciencias de Tokio, en colaboración con investigadores de la División de Soluciones Científicas, Instituto de Investigación e Información de Mizuho, C ª., centrado en las interacciones entre las moléculas de agua y el grafeno, un material a base de carbono de carga neutra que se puede hacer atómicamente plano. “El agua superficial en nanomateriales de carbono como el grafeno ha atraído mucha atención porque las propiedades de estos materiales los hacen ideales para estudiar la estructura microscópica del agua superficial, "explica el profesor Yamamoto. Ya se había señalado en estudios anteriores que las moléculas de agua en el grafeno tienden a formar formas poligonales estables (2-D) tanto en el agua superficial como en el agua" libre "(moléculas de agua alejadas de la superficie del material) . Es más, Se había observado que la probabilidad de encontrar estas estructuras era drásticamente diferente en aguas superficiales que en aguas libres. Sin embargo, Deben establecerse las diferencias entre agua superficial y agua libre, y la transición entre los dos es difícil de analizar utilizando métodos de simulación convencionales.

    Considerando esta situación, el equipo de investigación decidió combinar un método tomado de la ciencia de datos, llamada homología persistente (PH), con simulaciones de dinámica molecular. PH permite la caracterización de estructuras de datos, incluidos los contenidos en imágenes / gráficos, pero también se puede utilizar en ciencia de materiales para encontrar estructuras tridimensionales estables entre moléculas. "Nuestro estudio representa la primera vez que se utilizó PH para un análisis estructural de moléculas de agua, ", comenta el profesor Yamamoto. Con esta estrategia, los investigadores pudieron obtener una mejor idea de lo que sucede con las moléculas de agua de la superficie a medida que se agregan más capas de agua en la parte superior.

    Cuando se coloca una sola capa de moléculas de agua sobre grafeno, las moléculas de agua se alinean para que sus átomos de hidrógeno formen estructuras poligonales estables con diferentes números de lados a través de enlaces de hidrógeno. Esto "fija" la orientación y la posición relativa de estas moléculas de agua de la primera capa, que ahora están formando formas paralelas a la capa de grafeno. Si se agrega una segunda capa de moléculas de agua, las moléculas de la primera y segunda capa forman estructuras tridimensionales llamadas tetraedros, que se asemejan a una pirámide pero con una base triangular. Curiosamente, estos tetraedros apuntan principalmente hacia abajo (hacia la capa de grafeno), porque esta orientación es "energéticamente favorable". En otras palabras, el orden de la primera capa se traduce en la segunda para formar estas estructuras tridimensionales con una orientación consistente. Sin embargo, a medida que se agregan una tercera y más capas, los tetraedros que se forman no necesariamente apuntan hacia abajo y, en cambio, parecen tener la libertad de apuntar en cualquier dirección, influido por las fuerzas circundantes. "Estos resultados confirman que el cruce entre la superficie y el agua libre se produce en sólo tres capas de agua, "explica el profesor Yamamoto.

    Los investigadores han proporcionado un video de una de sus simulaciones donde se destacan estas estructuras 2-D y 3-D, permitiendo a uno comprender la imagen completa. "Nuestro estudio es un buen ejemplo de la aplicación de técnicas modernas de análisis de datos para obtener conocimientos nuevos e importantes, ", añade el profesor Yamamoto. Además, estas predicciones no deberían ser difíciles de medir experimentalmente en grafeno a través de técnicas de microscopía de fuerza atómica, Cuál debería, sin duda, confirmar la existencia de estas estructuras y validar aún más la combinación de técnicas utilizadas. El profesor Yamamoto concluye:"Aunque el grafeno es una superficie bastante simple y podríamos esperar estructuras de agua más complicadas en otros tipos de materiales, nuestro estudio proporciona un punto de partida para discusiones sobre efectos de superficie más realistas, y esperamos que conduzca al control de las propiedades de la superficie ".


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