La dinamica dell'acqua vicino alle superfici solide gioca un ruolo critico in numerose tecnologie, compresa la filtrazione e la purificazione dell'acqua, cromatografia e catalisi. Un modo ben noto per influenzare queste dinamiche, che a sua volta influenza il modo in cui l'acqua "bagna" una superficie, è quello di modificare l'idrofobicità superficiale, o la misura in cui la superficie respinge l'acqua. Tali modifiche possono essere ottenute modificando la copertura media, o densità superficiale, di gruppi chimici idrofobici sull'interfaccia.

Ora, in un articolo pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , autore principale Jacob Monroe, un quinto anno di dottorato studente nel laboratorio dell'ingegnere chimico UC Santa Barbara M. Scott Shell, fornisce una nuova prospettiva sui fattori che controllano queste dinamiche. Utilizzando simulazioni al computer per progettare le superfici, i ricercatori sono stati in grado di identificare un modo più sfumato in cui l'idrofobicità superficiale influenza la dinamica dell'acqua in corrispondenza di un'interfaccia. I risultati potrebbero avere importanti ramificazioni per le membrane, soprattutto quelli utilizzati nella filtrazione dell'acqua.

"Quello che stiamo vedendo è che solo cambiando il modello, la distribuzione di quei gruppi idrofobici e idrofili, senza modificare le densità medie della superficie:produce effetti abbastanza grandi in corrispondenza di un'interfaccia, " ha detto Monroe. "Questo è prezioso per sapere se voglio che l'acqua scorra attraverso una membrana in modo ottimale."

Monroe e i suoi colleghi hanno scoperto che se mettono insieme tutti i gruppi idrofobici e rendono la superficie molto irregolare, l'acqua si muove più velocemente; se li dividono tutti, l'acqua rallenta. "Se la membrana fosse per la filtrazione dell'acqua, potresti volere che l'acqua si muova rapidamente attraverso di essa, " ha osservato Monroe, "ma potresti anche volere che l'acqua si sieda in superficie per aiutare a respingere le particelle che si attaccano ad essa e contaminano la membrana".

I gruppi idrofobi e idrofili sono spesso presenti a una certa densità in molti tipi di materiali, e mentre la velocità con cui l'acqua si muove vicino a una superficie non è l'unico fattore che influisce sulle prestazioni di una membrana, Monroe suggerisce che la comprensione di queste dinamiche è un passo verso la progettazione di membrane più efficienti. E quello, a sua volta, riguarda il costo energetico della filtrazione e la facilità con cui i contaminanti possono aderire alle pareti della membrana e, così, essere rimosso dall'acqua.

I ricercatori non hanno ancora utilizzato le informazioni sulla modellazione della superficie per progettare materiali per applicazioni specifiche, anche se hanno intenzione di farlo. Ma la loro scoperta sul patterning ha un'immediata rilevanza per l'interpretazione degli esperimenti, perché significa che la valutazione della densità superficiale dei gruppi idrofobici da sola non è sufficiente per caratterizzare il materiale.

Monroe e Shell hanno scoperto l'effetto di distribuzione combinando simulazioni di dinamica molecolare con un algoritmo genetico di ottimizzazione, che è semplicemente un algoritmo che emula l'evoluzione naturale, qui utilizzato per identificare modelli di superficie che aumentano o diminuiscono la mobilità delle acque superficiali.

"È una specie di programma di allevamento, " ha spiegato Monroe. "Se tu avessi una piscina di cani e volevi un certo tipo di cane, diciamo uno che è più grande o ha una coda più corta o una testa più grande, allevereste i cani che hanno quelle caratteristiche. Facciamo la stessa cosa su un computer, ma il nostro obiettivo è progettare una superficie con caratteristiche specifiche che le permettano di funzionare come vogliamo. Hai bisogno della metrica di fitness, e poi puoi mettere a punto l'algoritmo genetico per ottimizzare specifiche caratteristiche prestazionali, ad esempio, fare in modo che l'acqua si muova rapidamente attraverso una membrana o si adsorba su una superficie. In un altro caso, potrebbe essere la velocità con cui l'acqua si muove attraverso un singolo poro in superficie. E in un altro, potremmo vedere se una specie di contaminante si attacca e un'altra no.

"Così, eseguiamo simulazioni di dinamica molecolare per valutare tali proprietà, " ha continuato. "Assegnamo un livello di fitness a ogni individuo, e poi ibridizziamo spazialmente gli individui più adatti e guidiamo i sistemi verso le proprietà che vogliamo che abbiano".

Monroe ritiene che questo metodo di modellazione superficiale sub-nanoscala sia un importante parametro di progettazione per la progettazione di interfacce solido-acqua per molteplici applicazioni, e che può fornire un'ampia strategia per l'ingegneria dei materiali che hanno progettato la dinamica idratazione-acqua.

"Questo lavoro è entusiasmante perché mostra per la prima volta che la modellazione su nanoscala sulle superfici è un mezzo efficace per l'ingegneria dei materiali che danno origine a dinamiche dell'acqua uniche, " Shell ha detto. "Si è pensato a lungo che le molecole biologiche, come le proteine, utilizzare modelli chimici di superficie per influenzare la dinamica dell'acqua verso fini funzionali, come l'accelerazione degli eventi di legame che sono alla base di molti processi biomolecolari. Ora abbiamo utilizzato un algoritmo di ottimizzazione computazionale per "imparare" come dovrebbero apparire questi modelli nei materiali sintetici con caratteristiche prestazionali target. I risultati suggeriscono un nuovo modo di progettare le superfici per controllare con precisione la dinamica dell'acqua vicino a loro, che diventa molto importante per le separazioni chimiche e le attività di catalisi."