En un estudio publicado recientemente en la revista Nanoscale , investigadores de la Universidad de Kanazawa y AGC Inc. utilizan microscopía de fuerza atómica tridimensional para estudiar la forma hidratada y la estructura de los cristales de óxido que se encuentran comúnmente.
Si bien el zafiro y el cuarzo son cristales de óxido utilizados en una amplia gama de aplicaciones industriales, las estructuras a escala atómica de estos materiales no se comprenden bien. Los principales componentes químicos del zafiro y el cuarzo son el óxido de aluminio y el dióxido de silicio, respectivamente. Estos componentes tienen una alta afinidad por el agua, lo que afecta la reactividad química de los cristales. Por lo tanto, un conocimiento profundo de las propiedades de retención de agua de estos óxidos es importante para futuras aplicaciones innovadoras.
Hasta la fecha, los métodos microscópicos tradicionales sólo han proporcionado información sobre la topografía bidimensional de sus superficies. Ahora, un equipo de investigación dirigido por Keisuke Miyazawa del NanoLSI de la Universidad de Kanazawa ha desarrollado una técnica de microscopía tridimensional (3D) para un estudio detallado de la interacción de las superficies de estos materiales con el agua.
El equipo comenzó observando las estructuras superficiales y sus estructuras de hidratación del zafiro y el cuarzo α en agua. Para ello, utilizaron una forma avanzada de microscopía conocida como microscopía de fuerza atómica 3D (3D-AFM). Los cristales de óxido suelen tener grupos hidroxilo (OH), que son las principales moléculas "fijadoras de agua", estrechamente relacionadas con los óxidos. Por ello, el equipo estudió los grupos OH y sus estructuras de hidratación en ambos cristales cuando se sumergen en agua.
Descubrieron que la capa de hidratación del zafiro no era uniforme debido a las distribuciones locales no uniformes de los grupos OH de la superficie. Por otro lado, la capa de hidratación del cuarzo α era uniforme debido a las distribuciones atómicamente planas de los grupos OH de la superficie.
Cuando posteriormente se midió la fuerza de interacción de estos óxidos con el agua, se descubrió que se necesitaba una fuerza mayor para romper los enlaces agua-cristal en el zafiro que en el cuarzo α. También se descubrió que esta afinidad era mucho mayor en regiones donde los óxidos estaban muy cerca de los grupos OH.
Este estudio demostró que las estructuras de hidratación de los óxidos dependen de la ubicación y la densidad de los grupos OH, además de la fuerza del enlace de hidrógeno (el enlace químico utilizado para unirse al agua) de los grupos OH. Es más, aquí se demostró con éxito que 3D-AFM se puede utilizar para desentrañar la interacción del agua con varias superficies, una vía potencial para comprender mejor las interacciones sólido-líquido.
"Este estudio contribuye a la aplicación de 3D-AFM en la exploración de estructuras de hidratación a escala atómica en diversas superficies y, por tanto, en una amplia gama de campos de investigación de interfaces sólido-líquido", concluyen los investigadores.
Microscopía de fuerza atómica 3D (3D-AFM):AFM es una forma avanzada de microscopía en la que se monta una punta afilada en un voladizo y sigue la superficie de una molécula. Al hacerlo, la punta emite señales basadas en su movimiento, lo que ayuda a identificar la topografía de la molécula. Sin embargo, comprender las estructuras más profundas de las moléculas requiere una visión tridimensional de sus superficies. Por ello, los investigadores utilizaron una versión más avanzada de AFM en este estudio, que capturó la estructura de los cristales hidratados en 3D.
Más información: Sho Nagai et al, Ordenamiento tridimensional de moléculas de agua que reflejan grupos hidroxilo en superficies de zafiro (001) y cuarzo α (100), Nanoescala (2023). DOI:10.1039/D3NR02498A
Información de la revista: Nanoescala
Proporcionado por la Universidad de Kanazawa
