Comprender las diversas interacciones moleculares y estructuras 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 a través de los materialesingeniería, lo que lleva a una mayor eficiencia. Otras aplicaciones incluyen, entre otras, implantes médicos y superficies anticongelantes 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 unCentro de investigación dedicado, denominado "Ciencia y tecnología de la frontera del agua", donde varios grupos de investigación abordan este problema desde diferentes ángulos análisis teórico, estudios experimentales, desarrollo de materiales, etc. El profesor Takahiro Yamamoto dirige un grupo de científicos en este centro,e intentan resolver este misterio a través de simulaciones de estructuras microscópicas, propiedades y funciones.de agua en la superficie de los materiales.
Para este estudio en particular, que se publicó 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, Mizuho Information & Research Institute, Inc., se centraron en las interacciones entre las moléculas de agua y el grafeno, un material a base de carbono con carga neutra que puedehacerse 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 anterioresque las moléculas de agua en el grafeno tienden a formar formas poligonales 2D estables tanto en agua superficial como en agua "libre" moléculas de agua alejadas de la superficie del material. Además, se observó que la probabilidad de encontrar estas estructuras era drásticadiferente en agua superficial que en agua libre. Sin embargo, las diferencias entre agua superficial y libre tienen que establecerse, y la transición debe serEntre 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, llamado homología persistente PH, con simulaciones de dinámica molecular. PH permite la caracterización de estructuras de datos, incluidas las contenidas en imágenes / gráficos, perotambién se puede usar en la ciencia de los materiales para encontrar estructuras 3D estables entre las moléculas. "Nuestro estudio representa la primera vez que se usó el PH para un análisis estructural de las moléculas de agua", comenta el profesor Yamamoto. Con esta estrategia, los investigadores pudieron obtener unmejor idea de lo que sucede con las moléculas de agua superficial a medida que se agregan más capas de agua en la parte superior.
Cuando se coloca una sola capa de moléculas de agua sobre el grafeno, las moléculas de agua se alinean de modo 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 estos primeros-moléculas de agua de 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 3D 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 3D con una orientación constante., a medida que se agregan un tercio y más capas, los tetraedros que se forman no necesariamente apuntan hacia abajo y, en cambio, parecen ser libres de apuntar en cualquier dirección, swayed por las fuerzas circundantes."Estos resultados confirman que el cruce entre la superficie y el agua libre ocurre dentro de solo tres capas de agua", explica el profesor Yamamoto.
Los investigadores han proporcionado un video de una de sus simulaciones donde se resaltan estas estructuras 2D y 3D, lo que permite comprender la imagen completa ". Nuestro estudio es un buen ejemplo de la aplicación de técnicas modernas de análisis de datos para obtener nuevas e importantesinsights ", agrega el profesor Yamamoto. Además, estas predicciones no deberían ser difíciles de medir experimentalmente en grafeno a través de técnicas de microscopía de fuerza atómica, lo que sin duda confirmaría la existencia de estas estructuras y validaría 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 depropiedades de superficie "
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Ciencias de Tokio . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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