Meglio conosciuto come vetro, la silice è un materiale versatile utilizzato in una miriade di processi industriali, da catalisi e filtrazione, alla cromatografia e alla nanofabbricazione. Eppure, nonostante la sua ubiquità nei laboratori e nelle camere bianche, sorprendentemente poco si sa delle interazioni superficiali della silice con l'acqua a livello molecolare.

"Il modo in cui l'acqua interagisce con una superficie influenza molti processi, " ha detto Songi Han, un professore di chimica della UC Santa Barbara e autore di un recente articolo nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . In molti casi, lei spiegò, scienziati e ingegneri intuiscono le potenziali interazioni tra silice e acqua e progettano attrezzature, esperimenti e processi basati su prove empiriche. Ma una comprensione meccanicistica di come la topologia chimica delle superfici di silice altera la struttura dell'acqua in superficie potrebbe portare a una progettazione razionale di questi processi.

Per molte persone, il vetro è vetro, e richiama alla mente il chiaro, duro, liscio, materiale dall'aspetto omogeneo che usiamo per finestre o stoviglie. Però, a un livello più profondo quello che chiamiamo "vetro" è in realtà un materiale più complesso che può contenere diverse proprietà chimiche con distribuzioni ad ampio raggio.

"Il vetro è un materiale che tutti conosciamo, ma quello che molte persone probabilmente non sanno è che è quella che chiameremmo una superficie chimicamente eterogenea, " ha detto il ricercatore studente laureato Alex Schrader, autore principale di PNAS carta.

Esistono due diversi tipi di gruppi chimici che compongono le superfici di vetro, ha detto:gruppi silanolo (SiOH) che sono generalmente idrofili (amante dell'acqua), o gruppi silossanici (SiOHSi) che sono tipicamente idrorepellenti. "Quello che mostriamo, "Srader ha detto, "è che il modo in cui disponi questi due tipi di sostanze chimiche sulla superficie ha un grande impatto sul modo in cui l'acqua interagisce con la superficie, quale, a sua volta, influisce sui fenomeni fisici osservabili, come l'acqua si sparge su un bicchiere."

In alcuni processi come la catalisi, ad esempio, la silice (nota anche come biossido di silicio o SiO2) sotto forma di polvere biancastra viene utilizzata come supporto:il catalizzatore è attaccato ai grani di polvere, che a loro volta lo portano nel processo. Mentre la silice non partecipa direttamente alla catalisi, la composizione molecolare superficiale dei grani di silice può influenzare la sua efficacia se il gruppo chimico è prevalentemente idrofilo o idrofobo. I ricercatori hanno scoperto che se la silice tende ad avere gruppi silanolo idrofili sulla sua superficie, attira le molecole d'acqua, in effetti formando una "barriera morbida" di molecole d'acqua che i reagenti dovrebbero superare per penetrare in qualche modo per procedere con il processo o la reazione desiderati.

"Ci sono sempre dinamiche e le molecole d'acqua devono scambiare le loro posizioni, ed è per questo che è complicato, ", ha affermato il professore di ingegneria chimica dell'UCSB Jacob Israelachvili, il cui apparato per le forze di superficie (SFA) ha misurato le forze di interazione tra le superfici di silice attraverso l'acqua. "Devi rompere un legame affinché si formi un altro legame. E questo può richiedere tempo."

Non è solo la semplice presenza dei gruppi silanolo che possono influenzare l'adesione dell'acqua alle superfici silicee. I ricercatori sono rimasti perplessi da un calo non lineare della diffusività dell'acqua superficiale, misurata dall'apparato di polarizzazione nucleare dinamica di Overhauser nel laboratorio Han, mentre la composizione chimica della superficie di silice si è spostata da idrofoba a idrofila. Quel mistero è stato successivamente risolto dal professore di ingegneria chimica dell'UCSB Scott Shell e dal suo studente laureato Jacob Monroe, le cui simulazioni al computer hanno rivelato che anche la disposizione relativa dei gruppi silanolo e silossanico sulla superficie ha avuto un'influenza sull'adesione dell'acqua.

"Se hai la stessa frazione di gruppi che amano l'acqua e gruppi che non amano l'acqua, semplicemente riordinandoli spazialmente, puoi variare significativamente la mobilità dell'acqua, "Ha detto Han.

I processi guidati dal catalizzatore non sono l'unica cosa che può essere migliorata con una comprensione molecolare dell'adesione silice-acqua. Anche la filtrazione e la cromatografia possono essere migliorate.

"È importante anche nelle procedure delle camere bianche, nanofabbricazione e formazione di microprocessori, " ha detto Schrader, che ha sottolineato che i microprocessori sono fabbricati su substrati di wafer di silicio con un sottile strato di vetro, su cui sono posati i circuiti. "È importante capire come appare la superficie effettiva del wafer di silicio a livello chimico e come questi diversi strati metallici che depositano su di esso si attaccano ad esso e come appaiono".