Compreender as várias interações e estruturas moleculares que surgem entre as moléculas de água de superfície permitiria aos cientistas e engenheiros desenvolver todos os tipos de novos materiais hidrofóbicos / hidrofílicos ou melhorar os existentes. Por exemplo, o atrito causado pela água nos navios pode ser reduzido por meio da engenharia de materiais, levando a uma maior eficiência. Outros aplicativos incluem, mas não estão limitados a, implantes médicos e superfícies anti-gelo para aviões. Contudo, os fenômenos que ocorrem nas águas superficiais são tão complicados que a Universidade de Ciência de Tóquio, Japão, estabeleceu um centro de pesquisa dedicado, chamado "Water Frontier Science and Technology, "onde vários grupos de pesquisa abordam este problema de diferentes ângulos (análise teórica, Estudos experimentais, desenvolvimento de materiais, e assim por diante). O Prof Takahiro Yamamoto lidera um grupo de cientistas neste centro, e eles tentam resolver este mistério através de simulações das estruturas microscópicas, propriedades, e funções da água na superfície dos materiais.

Para este estudo em particular, que foi publicado no Jornal Japonês de Física Aplicada , os pesquisadores da Tokyo University of Science, em colaboração com pesquisadores da Divisão de Soluções Científicas, Mizuho Information &Research Institute, Inc., focado nas interações entre as moléculas de água e o grafeno, um material baseado em carbono com carga neutra que pode ser atomicamente plano. "A água superficial em nanomateriais de carbono, como o grafeno, tem atraído muita atenção porque as propriedades desses materiais os tornam ideais para estudar a estrutura microscópica da água superficial, "explica o Prof Yamamoto. Já havia sido apontado em estudos anteriores que as moléculas de água no grafeno tendem a formar formas poligonais (2-D) estáveis ​​tanto na água de superfície quanto na água" livre "(moléculas de água longe da superfície do material) . Além disso, notou-se que a probabilidade de encontrar essas estruturas era drasticamente diferente na água de superfície do que na água livre. Contudo, as diferenças entre a água superficial e a água livre devem ser estabelecidas, e a transição entre os dois é difícil de analisar usando métodos convencionais de simulação.

Considerando esta situação, a equipe de pesquisa decidiu combinar um método retirado da ciência de dados, chamada de homologia persistente (PH), com simulações de dinâmica molecular. PH permite a caracterização de estruturas de dados, incluindo aqueles contidos em imagens / gráficos, mas também pode ser usado na ciência dos materiais para encontrar estruturas 3-D estáveis ​​entre as moléculas. "Nosso estudo representa a primeira vez que o PH foi usado para uma análise estrutural de moléculas de água, "comenta o Prof Yamamoto. Com esta estratégia, os pesquisadores conseguiram obter uma ideia melhor do que acontece com as moléculas de água de superfície à medida que mais camadas de água são adicionadas ao topo.

Quando uma única camada de moléculas de água é colocada em cima do grafeno, as moléculas de água se alinham de modo que seus átomos de hidrogênio formem estruturas poligonais estáveis ​​com diferentes números de lados por meio de ligações de hidrogênio. Isso "fixa" a orientação e a posição relativa dessas moléculas de água da primeira camada, que agora estão formando formas paralelas à camada de grafeno. Se uma segunda camada de moléculas de água for adicionada, as moléculas da primeira e segunda camadas formam estruturas 3-D chamadas tetraedros, que se assemelha a uma pirâmide, mas com uma base triangular. Curiosamente, esses tetraedros estão principalmente apontando para baixo (em direção à camada de grafeno), porque essa orientação é "energeticamente favorável". Em outras palavras, a ordem da primeira camada se traduz para a segunda para formar essas estruturas 3-D com uma orientação consistente. Contudo, à medida que uma terceira e mais camadas são adicionadas, os tetraedros que se formam não necessariamente apontam para baixo e, em vez disso, parecem estar livres para apontar em qualquer direção, balançado pelas forças circundantes. "Esses resultados confirmam que o cruzamento entre a água superficial e a água livre ocorre dentro de apenas três camadas de água, "explica o Prof Yamamoto.

Os pesquisadores forneceram um vídeo de uma de suas simulações onde essas estruturas 2-D e 3-D são destacadas, permitindo que se compreenda a imagem completa. "Nosso estudo é um bom exemplo da aplicação de técnicas modernas de análise de dados para obter novos e importantes insights, "acrescenta Prof Yamamoto. Além do mais, essas previsões não devem ser difíceis de medir experimentalmente no grafeno por meio de técnicas de microscopia de força atômica, qual seria, sem duvida, confirmar a existência dessas estruturas e ainda validar a combinação de técnicas utilizadas. O Prof Yamamoto conclui:"Embora o grafeno seja uma superfície bastante simples e poderíamos esperar estruturas de água mais complicadas em outros tipos de materiais, nosso estudo fornece um ponto de partida para discussões de efeitos de superfície mais realistas, e esperamos que leve ao controle das propriedades da superfície. "