Num estudo publicado recentemente na revista Nanoscale , pesquisadores da Universidade de Kanazawa e da AGC Inc. usam microscopia de força atômica tridimensional para estudar a forma hidratada e a estrutura de cristais de óxido de ocorrência comum.



Embora a safira e o quartzo sejam cristais de óxido usados ​​em uma ampla gama de aplicações industriais, as estruturas em escala atômica desses materiais não são bem compreendidas. Os principais componentes químicos da safira e do quartzo são o óxido de alumínio e o dióxido de silício, respectivamente. Esses componentes possuem alta afinidade pela água, o que afeta a reatividade química dos cristais. Assim, um conhecimento profundo das propriedades de ligação à água destes óxidos é importante para futuras aplicações inovadoras.

Até o momento, os métodos microscópicos tradicionais forneceram apenas insights sobre a topografia bidimensional de suas superfícies. Agora, uma equipe de pesquisa liderada por Keisuke Miyazawa do NanoLSI da Universidade de Kanazawa desenvolveu uma técnica de microscopia tridimensional (3D) para um estudo detalhado da interação das superfícies desses materiais com a água.

A equipe começou observando as estruturas superficiais e suas estruturas de hidratação da safira e do quartzo α na água. Para isso, eles utilizaram uma forma avançada de microscopia conhecida como microscopia de força atômica 3D (3D-AFM). Os cristais de óxido geralmente possuem grupos hidroxila (OH), que são as principais moléculas de "ligação à água", intimamente ligadas aos óxidos. Assim, a equipe estudou os grupos OH e suas estruturas de hidratação em ambos os cristais quando imersos em água.

Eles descobriram que a camada de hidratação da safira não era uniforme devido às distribuições locais não uniformes dos grupos OH da superfície. Por outro lado, a camada de hidratação no α-quartzo era uniforme devido às distribuições atomicamente planas dos grupos OH superficiais.

Quando a força de interação desses óxidos com a água foi posteriormente medida, descobriu-se que era necessária uma força maior para quebrar as ligações água-cristal na safira do que no α-quartzo. Descobriu-se também que esta afinidade era muito maior em regiões onde os óxidos estavam muito próximos dos grupos OH.

Este estudo mostrou que as estruturas de hidratação dos óxidos dependem da localização e densidade dos grupos OH, além da força da ligação de hidrogênio (a ligação química usada para se ligar à água) dos grupos OH. Além do mais, foi demonstrado aqui com sucesso que o 3D-AFM pode ser usado para desvendar a interação da água com diversas superfícies, um caminho potencial para compreender melhor as interações sólido-líquido.

“Este estudo contribui para a aplicação do 3D-AFM na exploração de estruturas de hidratação em escala atômica em várias superfícies e, portanto, para uma ampla gama de campos de pesquisa interfacial sólido-líquido”, concluem os pesquisadores.

Microscopia de força atômica 3D (3D-AFM):AFM é uma forma avançada de microscopia em que uma ponta afiada é montada em um cantilever e segue a superfície de uma molécula. Ao fazer isso, a ponta emite sinais com base em seu movimento, o que ajuda a identificar a topografia da molécula. No entanto, a compreensão das estruturas mais profundas das moléculas requer uma visão tridimensional das suas superfícies. Assim, os pesquisadores utilizaram uma versão mais avançada do AFM neste estudo, que capturou a estrutura dos cristais hidratados em 3D.

Mais informações: Sho Nagai et al, Ordenação tridimensional de moléculas de água refletindo grupos hidroxila em superfícies de safira (001) e α-quartzo (100), Nanoescala (2023). DOI:10.1039/D3NR02498A
Informações do diário: Nanoescala

Fornecido pela Universidade de Kanazawa