A dinâmica da água perto de superfícies sólidas desempenha um papel crítico em várias tecnologias, incluindo filtração e purificação de água, cromatografia e catálise. Uma forma bem conhecida de influenciar essas dinâmicas, que por sua vez afeta como a água "molha" uma superfície, é modificar a hidrofobicidade da superfície, ou até que ponto a superfície repele a água. Essas modificações podem ser alcançadas alterando a cobertura média, ou densidade de superfície, de grupos químicos hidrofóbicos na interface.

Agora, em um artigo publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , autor principal Jacob Monroe, um Ph.D. no quinto ano estudante no laboratório do engenheiro químico da UC Santa Barbara M. Scott Shell, fornece uma nova perspectiva sobre os fatores que controlam essas dinâmicas. Usando simulações de computador para projetar as superfícies, os pesquisadores foram capazes de identificar uma forma mais sutil na qual a hidrofobicidade da superfície influencia a dinâmica da água em uma interface. As descobertas podem ter ramificações importantes para as membranas, especialmente aqueles usados ​​na filtração de água.

"O que estamos vendo é que apenas mudando o padrão - a distribuição desses grupos hidrofóbicos e hidrofílicos, sem alterar as densidades superficiais médias - produz efeitos bastante grandes em uma interface, "Monroe disse." É valioso saber se eu quero que a água flua através de uma membrana de forma otimizada. "

Monroe e seus colegas descobriram que, se eles organizarem todos os grupos hidrofóbicos juntos e tornarem a superfície muito irregular, a água se move mais rápido; se eles os espalharem, a água fica mais lenta. "Se a membrana fosse para filtração de água, você pode querer que a água se mova rapidamente por ele, "Monroe observou, "mas você também pode querer que a água fique na superfície para ajudar a repelir as partículas que grudam nela e sujam a membrana."

Grupos hidrofóbicos e hidrofílicos frequentemente estão presentes em alguma densidade em muitos tipos de materiais, e embora a taxa na qual a água se move perto de uma superfície não seja o único fator que afeta o desempenho de uma membrana, Monroe sugere que compreender essas dinâmicas é um passo para projetar membranas mais eficientes. E essa, por sua vez, relaciona-se com o custo de energia da filtração e com a facilidade com que os contaminantes podem aderir às paredes da membrana e, portanto, ser removido da água.

Os pesquisadores ainda não usaram as informações sobre padronização de superfície para projetar materiais para aplicações específicas, embora eles planejem. Mas sua descoberta sobre padronização tem relevância imediata para a interpretação de experimentos, porque significa que avaliar a densidade superficial de grupos hidrofóbicos por si só não é suficiente para caracterizar o material.

Monroe e Shell descobriram o efeito de distribuição combinando simulações de dinâmica molecular com otimização de algoritmo genético, que é simplesmente um algoritmo que emula a evolução natural - aqui usado para identificar padrões de superfície que aumentam ou diminuem a mobilidade das águas superficiais.

"É como um programa de melhoramento, "Monroe explicou." Se você tivesse uma piscina de cachorros e você quisesse um certo tipo de cachorro, digamos um que é maior ou tem uma cauda mais curta ou uma cabeça maior, você criaria cães com essas características. Fazemos a mesma coisa em um computador, mas nosso objetivo é projetar uma superfície com características específicas que permitam que ela tenha o desempenho que desejamos. Você precisa da métrica de condicionamento físico, e então você pode ajustar o algoritmo genético para otimizar características de desempenho específicas, por exemplo, para que a água se mova rapidamente através de uma membrana ou para adsorver em uma superfície. Em outro caso, pode ser a velocidade com que a água se move através de um único poro na superfície. E em outro, poderíamos verificar se uma espécie de contaminante gruda e outra não.

"Então, executamos simulações de dinâmica molecular para avaliar essas propriedades, "ele continuou." Atribuímos um nível de aptidão a cada indivíduo, e então hibridizamos os indivíduos mais aptos espacialmente e dirigimos os sistemas em direção às propriedades que queremos que eles tenham. "

Monroe acredita que este método de padronização de superfície em sub-nanoescala é um parâmetro de design importante para a engenharia de interfaces sólido-água para várias aplicações, e que pode fornecer uma ampla estratégia para materiais de engenharia que projetaram a dinâmica da hidratação da água.

"Este trabalho é empolgante porque mostra pela primeira vez que a padronização em nanoescala em superfícies é um meio eficaz de materiais de engenharia que dão origem a uma dinâmica de água única, "Shell disse." Há muito tempo se pensa que as moléculas biológicas, como proteínas, usar padronização química de superfície para influenciar a dinâmica da água em direção às extremidades funcionais, como a aceleração de eventos de ligação que são a base de muitos processos biomoleculares. Agora usamos um algoritmo de otimização computacional para 'aprender' como esses padrões devem se parecer em materiais sintéticos com características de desempenho alvo. Os resultados sugerem uma nova maneira de projetar superfícies para controlar com precisão a dinâmica da água perto deles, que se torna amplamente importante para separações químicas e tarefas de catálise. "