Mejor conocido como vidrio, la sílice es un material versátil utilizado en innumerables procesos industriales, de catálisis y filtración, a la cromatografía y la nanofabricación. Sin embargo, a pesar de su ubicuidad en laboratorios y salas blancas, sorprendentemente, se sabe poco sobre las interacciones de la superficie de la sílice con el agua a nivel molecular.

"La forma en que el agua interactúa con una superficie afecta a muchos procesos, "dijo Songi Han, profesor de química de la Universidad de California en Santa Bárbara y autor de un artículo reciente en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias . En muchos casos, Ella explicó, Los científicos e ingenieros intuyen las posibles interacciones entre la sílice y el agua y diseñan equipos, experimentos y procesos basados ​​en evidencia empírica. Pero una comprensión mecanicista de cómo la topología química de las superficies de sílice altera la estructura del agua en la superficie podría conducir a un diseño racional de estos procesos.

Para mucha gente, el vidrio es vidrio, y trae a la mente lo claro, duro, liso, material de aspecto homogéneo que utilizamos para ventanas o vajillas. Sin embargo, en un nivel más profundo, lo que llamamos "vidrio" es en realidad un material más complejo que puede contener diferentes propiedades químicas con distribuciones amplias.

"El vidrio es un material con el que todos estamos familiarizados, pero lo que probablemente mucha gente no sepa es que es lo que llamaríamos una superficie químicamente heterogénea, "dijo el investigador estudiante de posgrado Alex Schrader, autor principal del PNAS papel.

Hay dos tipos diferentes de grupos químicos que comprenden las superficies de vidrio, él dijo:grupos de silanol (SiOH) que son generalmente hidrofílicos (amantes del agua), o grupos siloxano (SiOHSi) que normalmente son repelentes al agua. "Lo que mostramos, "Shrader dijo, "es que la forma en que se organizan estos dos tipos de químicas en la superficie tiene un gran impacto en la forma en que el agua interactúa con la superficie, cuales, Sucesivamente, impacta fenómenos físicos observables, como cómo el agua se esparce sobre un vaso ".

En ciertos procesos como la catálisis, por ejemplo, La sílice (también conocida como dióxido de silicio o SiO2) en forma de polvo blanquecino se utiliza como soporte:el catalizador se adhiere a los granos de polvo. que a su vez lo llevan al proceso. Si bien la sílice no participa directamente en la catálisis, la composición molecular de la superficie de los granos de sílice puede influir en su eficacia si el grupo químico es predominantemente hidrófilo o hidrófobo. Los investigadores encontraron que si la sílice tiende a tener grupos silanol hidrófilos en su superficie, atrae moléculas de agua, en efecto, formando una "barrera blanda" de moléculas de agua que los reactivos tendrían que superar para penetrar de alguna manera y continuar con el proceso o reacción deseados.

"Siempre hay dinámica y las moléculas de agua deben intercambiar sus posiciones, y por eso es complicado "dijo el profesor de ingeniería química de UCSB Jacob Israelachvili, cuyo aparato de fuerzas de superficie (SFA) midió las fuerzas de interacción entre superficies de sílice a través del agua. "Tienes que romper algún vínculo para que se forme este otro vínculo. Y eso puede llevar tiempo".

No es solo la mera presencia de los grupos silanol lo que puede afectar la adhesión del agua a las superficies de sílice. Los investigadores estaban desconcertados por una caída no lineal en la difusividad del agua superficial, medida por el aparato de polarización nuclear dinámica Overhauser en el laboratorio de Han, a medida que la composición química de la superficie de sílice pasaba de hidrófoba a hidrófila. Ese misterio fue resuelto posteriormente por el profesor de ingeniería química de UCSB Scott Shell y su estudiante graduado Jacob Monroe. cuyas simulaciones por computadora revelaron la disposición relativa de los grupos silanol y siloxano en la superficie también influyeron en la adhesión del agua.

"Si tiene la misma fracción de grupos a los que les gusta el agua y grupos a los que les gusta el agua, simplemente reorganizándolos espacialmente, puede variar significativamente la movilidad del agua, "Dijo Han.

Los procesos impulsados ​​por catalizadores no son lo único que se puede mejorar con un conocimiento molecular de la adhesión de sílice-agua. También se pueden mejorar la filtración y la cromatografía.

"También es importante en los procedimientos de sala limpia, nanofabricación y formación de microprocesadores, "dijo Schrader, quien señaló que los microprocesadores se fabrican sobre sustratos de obleas de silicio con una fina capa de vidrio, sobre el que se colocan los circuitos. "Es importante comprender cómo se ve la superficie real de la oblea de silicio a nivel químico y cómo estas diferentes capas metálicas que depositan sobre ella se adhieren a ella y cómo aparecen".