Mais conhecido como vidro, a sílica é um material versátil usado em uma infinidade de processos industriais, da catálise e filtração, para cromatografia e nanofabricação. No entanto, apesar de sua onipresença em laboratórios e salas limpas, surpreendentemente, pouco se sabe sobre as interações da superfície da sílica com a água em nível molecular.

"A forma como a água interage com a superfície afeta muitos processos, "disse Songi Han, professor de química da UC Santa Bárbara e autor de um artigo recente no Proceedings of the National Academy of Sciences . Em muitos casos, ela explicou, cientistas e engenheiros intuem as potenciais interações entre sílica e água e projetam equipamentos, experimentos e processos baseados em evidências empíricas. Mas uma compreensão mecanicista de como a topologia química das superfícies de sílica altera a estrutura da água na superfície pode levar a um projeto racional desses processos.

Para muitas pessoas, vidro é vidro, e traz à mente o claro, duro, suave, material de aparência homogênea que usamos para janelas ou baixelas. Contudo, em um nível mais profundo, o que chamamos de "vidro" é, na verdade, um material mais complexo que pode conter diferentes propriedades químicas com ampla distribuição.

"O vidro é um material com o qual todos estamos familiarizados, mas o que muitas pessoas provavelmente não sabem é que é o que chamaríamos de superfície quimicamente heterogênea, "disse o pesquisador estudante de graduação Alex Schrader, autor principal do PNAS papel.

Existem dois tipos diferentes de grupos químicos que compreendem as superfícies de vidro, ele disse:grupos silanol (SiOH) que são geralmente hidrofílicos (amantes da água), ou grupos siloxano (SiOHSi) que são tipicamente repelentes de água. "O que mostramos, "Shrader disse, "é que a maneira como você organiza esses dois tipos de produtos químicos na superfície tem um grande impacto sobre como a água interage com a superfície, que, por sua vez, impacta fenômenos físicos observáveis, como como a água se espalha em um copo. "

Em certos processos, como catálise, por exemplo, sílica (também conhecida como dióxido de silício ou SiO2) na forma de um pó esbranquiçado é usada como suporte - o catalisador é ligado aos grãos do pó, que por sua vez o transportam para o processo. Embora a sílica não participe diretamente da catálise, a composição molecular da superfície dos grãos de sílica pode influenciar sua eficácia se o grupo químico for predominantemente hidrofílico ou hidrofóbico. Os pesquisadores descobriram que, se a sílica tende a ter grupos silanol hidrofílicos em sua superfície, atrai moléculas de água, com efeito, formando uma "barreira mole" de moléculas de água que os reagentes teriam que superar para de alguma forma penetrar e prosseguir com o processo ou reação desejada.

“Sempre há dinâmica e as moléculas de água devem trocar de posição, e é por isso que é complicado, "disse o professor de engenharia química da UCSB, Jacob Israelachvili, cujo aparelho de forças de superfície (SFA) mediu as forças de interação entre as superfícies de sílica na água. "Você tem que quebrar algum vínculo para que este outro vínculo se forme. E isso pode levar algum tempo."

Não é apenas a mera presença dos grupos silanol que pode afetar a adesão da água às superfícies de sílica. Os pesquisadores ficaram intrigados com uma queda não linear na difusividade da água de superfície - medida pelo aparato de polarização nuclear dinâmica Overhauser no laboratório Han - conforme a composição química da superfície de sílica mudava de hidrofóbica para hidrofílica. Esse mistério foi posteriormente resolvido pelo professor de engenharia química da UCSB, Scott Shell e seu aluno de graduação Jacob Monroe, cujas simulações em computador revelaram o arranjo relativo dos grupos silanol e siloxano na superfície, também teve influência na adesão à água.

"Se você tem a mesma fração de grupos que gostam de água e grupos que não gostam de água, apenas reorganizando-os espacialmente, você pode variar a mobilidade da água significativamente, "Han disse.

Os processos orientados por catalisador não são a única coisa que pode ser melhorada com uma compreensão molecular da adesão sílica-água. Filtração e cromatografia também podem ser melhoradas.

"Também é importante nos procedimentos de sala limpa, nanofabricação e formação de microprocessador, "disse Schrader, que apontou que os microprocessadores são fabricados em substratos de wafer de silício com uma fina camada de vidro, sobre os quais os circuitos são colocados. "É importante entender como a superfície real do wafer de silício se parece em um nível químico e como essas diferentes camadas de metal que eles depositam nele aderem e como aparecem."