Химическая топология кремнезема может влиять на эффективность многих химических процессов, в которых он используется.

«Способ взаимодействия воды с поверхностью влияет на многие процессы», — сказал Сонги Хан, профессор химии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и автор недавней статьи в Proceedings of the National Academy of Sciences. Она объяснила, что во многих случаях ученые и инженеры интуитивно понимают потенциальные взаимодействия между кремнеземом и водой и проектируют оборудование, эксперименты и процессы на основе эмпирических данных.

Но механистическое понимание того, как химическая топология поверхности кремнезема изменяет структуру воды на поверхности, может привести к рациональному дизайну этих процессов.Для многих людей стекло — это стекло, которое напоминает о прозрачном, твердом, гладком, однородном на вид материале, который мы используем для изготовления окон или посуды.

Однако на более глубоком уровне то, что мы называем «стеклом», на самом деле является более сложным материалом, который может обладать различными химическими свойствами с широким диапазоном распределения.«Стекло — это материал, с которым мы все знакомы, но многие люди, вероятно, не знают, что это то, что мы назвали бы химически неоднородной поверхностью», — сказал аспирант-исследователь Алекс Шредер, ведущий автор статьи PNAS.

По его словам, существует два разных типа химических групп, которые составляют стеклянные поверхности: силанольные (SiOH) группы, которые обычно являются гидрофильными (водоотталкивающими), или силоксановые (SiOHSi) группы, которые обычно являются водоотталкивающими. «Мы показываем, — сказал Шрейдер, — что то, как вы размещаете эти два типа химического состава на поверхности, сильно влияет на то, как вода взаимодействует с поверхностью, что, в свою очередь, влияет на наблюдаемые физические явления, такие как распространение воды по поверхности. стакан."В некоторых процессах, таких как катализ, например, диоксид кремния (он же диоксид кремния или SiO2) в виде беловатого порошка используется в качестве носителя — катализатор прикрепляется к зернам порошка, которые, в свою очередь, несут его в процесс.

Хотя диоксид кремния не участвует непосредственно в катализе, молекулярный состав поверхности зерен диоксида кремния может влиять на его эффективность, если химическая группа является преимущественно гидрофильной или гидрофобной. Исследователи обнаружили, что если диоксид кремния имеет тенденцию иметь гидрофильные силанольные группы на своей поверхности, он притягивает молекулы воды, по сути, образуя «мягкий барьер» из молекул воды, который реагентам придется преодолевать, чтобы каким-то образом проникнуть, чтобы продолжить желаемый процесс или реакцию. .«Всегда есть динамика, и молекулы воды должны менять свои позиции, и поэтому это сложно», — сказал профессор химической инженерии UCSB Якоб Исраэлахвили, чей прибор для измерения поверхностных сил (SFA) измерял силы взаимодействия между поверхностями диоксида кремния в воде. «Вы должны разорвать некую связь, чтобы образовалась эта другая связь. А это может занять время».Дело не только в простом присутствии силанольных групп, которые могут повлиять на адгезию воды к поверхности из диоксида кремния.

Исследователи были озадачены нелинейным падением коэффициента диффузии поверхностной воды, измеренным прибором динамической ядерной поляризации Оверхаузера в лаборатории Хана, когда химический состав поверхности кремнезема изменился от гидрофобного к гидрофильному. Эта загадка была впоследствии решена профессором химической инженерии UCSB Скоттом Шелл и его аспирантом Джейкобом Монро, чьи компьютерные симуляции показали, что относительное расположение силанольных и силоксановых групп на поверхности также влияет на адгезию воды.

«Если у вас одинаковая доля групп, любящих воду, и групп, не любящих воду, просто переставив их в пространстве, вы можете значительно изменить подвижность воды», — сказал Хан.Катализаторные процессы — не единственное, что можно улучшить с помощью молекулярного понимания адгезии кремнезема и воды. Также можно улучшить фильтрацию и хроматографию.

«Это также важно в процедурах чистых помещений, нанопроизводстве и создании микропроцессоров», — сказал Шредер, отметив, что микропроцессоры изготавливаются на подложках из кремниевых пластин с тонким слоем стекла, на которое накладываются схемы. «Важно понимать, как выглядит реальная поверхность кремниевой пластины на химическом уровне, и как эти различные металлические слои, которые они наносят на нее, прилипают к ней и как они выглядят».


Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.