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    La forma dell'acqua:come appaiono le molecole d'acqua sulla superficie dei materiali

    La combinazione di tecniche di analisi dei dati con simulazioni di dinamica molecolare può aiutarci a comprendere la struttura dell'acqua sulle superfici dei materiali. Credito:Università delle Scienze di Tokyo

    Comprendere le varie interazioni e strutture molecolari che sorgono tra le molecole di acqua di superficie consentirebbe a scienziati e ingegneri di sviluppare ogni sorta di nuovi materiali idrofobici/idrofili o di migliorare quelli esistenti. Per esempio, l'attrito causato dall'acqua sulle navi potrebbe essere ridotto attraverso l'ingegneria dei materiali, portando a una maggiore efficienza. Altre applicazioni includono, ma non sono limitati a, impianti medici e superfici antigelo per aeroplani. Però, i fenomeni che si verificano nelle acque superficiali sono così complicati che la Tokyo University of Science, Giappone, ha istituito un centro di ricerca dedicato, chiamato "Scienza e tecnologia delle frontiere dell'acqua, " dove vari gruppi di ricerca affrontano questo problema da diverse angolazioni (analisi teorica, studi sperimentali, sviluppo materiale, e così via). Il professor Takahiro Yamamoto guida un gruppo di scienziati in questo centro, e cercano di risolvere questo mistero attraverso simulazioni delle strutture microscopiche, proprietà, e funzioni dell'acqua sulla superficie dei materiali.

    Per questo studio in particolare, che è stato pubblicato nel Giornale giapponese di fisica applicata , i ricercatori della Tokyo University of Science, in collaborazione con i ricercatori della Science Solutions Division, Istituto di ricerca e informazione Mizuho, Inc., focalizzato sulle interazioni tra molecole d'acqua e grafene, un materiale a base di carbonio a carica neutra che può essere reso atomicamente piatto. "L'acqua di superficie su nanomateriali di carbonio come il grafene ha attirato molta attenzione perché le proprietà di questi materiali li rendono ideali per studiare la struttura microscopica dell'acqua di superficie, " spiega il prof Yamamoto. Era stato già sottolineato in studi precedenti che le molecole d'acqua sul grafene tendono a formare forme poligonali stabili (2-D) sia nell'acqua superficiale che nell'acqua "libera" (molecole d'acqua lontane dalla superficie del materiale) . Inoltre, era stato notato che la probabilità di trovare queste strutture era drasticamente diversa nelle acque superficiali rispetto a quelle libere. Però, devono essere stabilite le differenze tra acqua superficiale e acqua libera, e la transizione tra i due è difficile da analizzare utilizzando metodi di simulazione convenzionali.

    Considerando questa situazione, il team di ricerca ha deciso di combinare un metodo tratto dalla scienza dei dati, chiamata omologia persistente (PH), con simulazioni di dinamica molecolare. PH consente la caratterizzazione di strutture dati, compresi quelli contenuti in immagini/grafica, ma può essere utilizzato anche nella scienza dei materiali per trovare strutture 3-D stabili tra le molecole. "Il nostro studio rappresenta la prima volta che il PH è stato utilizzato per un'analisi strutturale delle molecole d'acqua, " rimarca il prof. Yamamoto. Con questa strategia, i ricercatori sono stati in grado di ottenere un'idea migliore di ciò che accade alle molecole d'acqua in superficie quando vengono aggiunti più strati d'acqua in cima.

    Quando un singolo strato di molecole d'acqua viene posto sopra il grafene, le molecole d'acqua si allineano in modo che i loro atomi di idrogeno formino strutture poligonali stabili con un diverso numero di lati attraverso legami idrogeno. Questo "fissa" l'orientamento e la posizione relativa di queste molecole d'acqua del primo strato, che ora stanno formando forme parallele allo strato di grafene. Se viene aggiunto un secondo strato di molecole d'acqua, le molecole del primo e del secondo strato formano strutture 3-D chiamate tetraedri, che ricordano una piramide ma con base triangolare. Curiosamente, questi tetraedri sono per lo più rivolti verso il basso (verso lo strato di grafene), perché questo orientamento è "energicamente favorevole". In altre parole, l'ordine dal primo strato si traduce nel secondo per formare queste strutture 3D con un orientamento coerente. Però, man mano che vengono aggiunti un terzo e più strati, i tetraedri che si formano non puntano necessariamente verso il basso e invece sembrano essere liberi di puntare in qualsiasi direzione, influenzato dalle forze circostanti. "Questi risultati confermano che il crossover tra acqua di superficie e acqua libera avviene all'interno di soli tre strati d'acqua, " spiega il professor Yamamoto.

    I ricercatori hanno fornito un video di una delle loro simulazioni in cui sono evidenziate queste strutture 2-D e 3-D, permettendo di comprendere il quadro completo. "Il nostro studio è un buon esempio dell'applicazione delle moderne tecniche di analisi dei dati per acquisire nuove e importanti intuizioni, " aggiunge il prof. Yamamoto. Inoltre, queste previsioni non dovrebbero essere difficili da misurare sperimentalmente sul grafene attraverso tecniche di microscopia a forza atomica, che sarebbe, senza dubbio, confermare l'esistenza di queste strutture e convalidare ulteriormente la combinazione di tecniche utilizzate. Il professor Yamamoto conclude:"Sebbene il grafene sia una superficie piuttosto semplice e potremmo aspettarci strutture dell'acqua più complicate su altri tipi di materiali, il nostro studio fornisce un punto di partenza per discussioni su effetti di superficie più realistici, e ci aspettiamo che porterà al controllo delle proprietà della superficie".


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