In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Nanoscale , i ricercatori dell'Università di Kanazawa e della AGC Inc. utilizzano la microscopia a forza atomica tridimensionale per studiare la forma idrata e la struttura dei cristalli di ossido più comuni.
Sebbene lo zaffiro e il quarzo siano cristalli di ossido utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni industriali, le strutture su scala atomica di questi materiali non sono ben comprese. I principali componenti chimici dello zaffiro e del quarzo sono rispettivamente l'ossido di alluminio e il biossido di silicio. Questi componenti hanno un'elevata affinità per l'acqua, che influisce sulla reattività chimica dei cristalli. Pertanto, una conoscenza approfondita delle proprietà di legame dell'acqua di questi ossidi è importante per ulteriori applicazioni innovative.
Finora, i metodi microscopici tradizionali hanno fornito solo informazioni sulla topografia bidimensionale delle loro superfici. Ora, un gruppo di ricerca guidato da Keisuke Miyazawa del NanoLSI dell'Università di Kanazawa ha sviluppato una tecnica di microscopia tridimensionale (3D) per uno studio dettagliato dell'interazione delle superfici di questi materiali con l'acqua.
Il team ha iniziato esaminando le strutture superficiali e le relative strutture di idratazione dello zaffiro e del quarzo α nell'acqua. Per questo, hanno utilizzato una forma avanzata di microscopia nota come microscopia a forza atomica 3D (3D-AFM). I cristalli di ossido di solito hanno gruppi idrossilici (OH), che sono le principali molecole "leganti l'acqua", strettamente legate agli ossidi. Pertanto, il team ha studiato i gruppi OH e le relative strutture di idratazione su entrambi i cristalli immersi nell'acqua.
Hanno scoperto che lo strato di idratazione sullo zaffiro non era uniforme a causa della distribuzione locale non uniforme dei gruppi OH superficiali. D'altra parte, lo strato di idratazione sul quarzo α era uniforme a causa delle distribuzioni atomicamente piatte dei gruppi OH superficiali.
Quando successivamente fu misurata la forza di interazione di questi ossidi con l'acqua, si scoprì che era necessaria una forza maggiore per rompere i legami dei cristalli d'acqua nello zaffiro rispetto al quarzo α. Si è anche scoperto che questa affinità era molto più elevata nelle regioni in cui gli ossidi erano molto vicini ai gruppi OH.
Questo studio ha dimostrato che le strutture di idratazione degli ossidi dipendono dalla posizione e dalla densità dei gruppi OH, oltre alla forza del legame idrogeno (il legame chimico utilizzato per legarsi all'acqua) dei gruppi OH. Inoltre, è stato dimostrato con successo che il 3D-AFM può essere utilizzato per svelare l'interazione dell'acqua con diverse superfici, una potenziale strada per comprendere meglio le interazioni solido-liquido.
"Questo studio contribuisce all'applicazione del 3D-AFM nell'esplorazione delle strutture di idratazione su scala atomica su varie superfici e, quindi, a un'ampia gamma di campi di ricerca interfacciale solido-liquido", concludono i ricercatori.
Microscopia a forza atomica 3D (3D-AFM):l'AFM è una forma avanzata di microscopia in cui una punta affilata è montata su un cantilever e segue la superficie di una molecola. Mentre lo fa, la punta emette segnali in base al suo movimento, che aiutano a identificare la topografia della molecola. Tuttavia, comprendere le strutture più profonde delle molecole richiede una panoramica tridimensionale delle loro superfici. Pertanto, in questo studio i ricercatori hanno utilizzato una versione più avanzata dell'AFM, che ha catturato la struttura dei cristalli idratati in 3D.
Ulteriori informazioni: Sho Nagai et al, Ordinamento tridimensionale delle molecole d'acqua che riflettono i gruppi idrossilici sulle superfici di zaffiro (001) e quarzo α (100), Nanoscala (2023). DOI:10.1039/D3NR02498A
Informazioni sul giornale: Nanoscala
Fornito dall'Università di Kanazawa
