Mejor conocido como vidrio, la sílice es un material versátil utilizado en una miríada de procesos industriales, desde catálisis y filtración, hasta cromatografía y nanofabricación. Sin embargo, a pesar de su ubicuidad en laboratorios y salas limpias, sorprendentemente se sabe poco acerca de las interacciones de la superficie de la sílice con el agua a nivel molecularnivel.
"La forma en que el agua interactúa con una superficie afecta muchos procesos", dijo Songi Han, profesora de química de la Universidad de California en Santa Bárbara y autora de un artículo reciente en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias . En muchos casos, explicó, los científicos e ingenieros intuyen las posibles interacciones entre sílice y agua y diseñan equipos, experimentos y procesos basados en evidencia empírica. Pero una comprensión mecanicista de cómo la topología química de las superficies de sílice altera la estructura del aguaen la superficie podría conducir a un diseño racional de estos procesos.
Para muchas personas, el vidrio es vidrio y recuerda el material transparente, duro, liso y de aspecto homogéneo que utilizamos para ventanas o vajillas. Sin embargo, en un nivel más profundo, lo que llamamos "vidrio" es en realidad un material más complejomaterial que puede contener diferentes propiedades químicas con amplias distribuciones.
"El vidrio es un material con el que todos estamos familiarizados, pero lo que muchas personas probablemente no saben es que es lo que llamaríamos una superficie químicamente heterogénea", dijo el investigador de estudiantes graduados Alex Schrader, autor principal del artículo de PNAS.
Dijo que hay dos tipos diferentes de grupos químicos que comprenden superficies de vidrio, dijo: grupos de silanol SiOH que generalmente son grupos hidrófilos amantes del agua o siloxano SiOHSi que generalmente son repelentes al agua ".", Dijo Shrader," es que la forma en que usted organiza estos dos tipos de productos químicos en la superficie impacta en gran medida la forma en que el agua interactúa con la superficie, lo que, a su vez, impacta los fenómenos físicos observables, como la forma en que el agua se extiende sobre un vaso ".
En ciertos procesos como la catálisis, por ejemplo, la sílice también conocida como dióxido de silicio o SiO2 en forma de polvo blanquecino se usa como soporte: el catalizador se une a los granos de polvo, que a su vez lo transportan alproceso. Si bien la sílice no participa directamente en la catálisis, la composición molecular de la superficie de los granos de sílice puede influir en su efectividad si el grupo químico es predominantemente hidrófilo o hidrófobo. Los investigadores descubrieron que si la sílice tiende a tener grupos de silanol hidrófilos en su superficie, atrae moléculas de agua, formando una "barrera blanda" de moléculas de agua que los reactivos tendrían que superar para penetrar de alguna manera para proceder con el proceso o reacción deseados.
"Siempre hay dinámica y las moléculas de agua deben intercambiar sus posiciones, y por eso es complicado", dijo el profesor de ingeniería química de la UCSB Jacob Israelachvili, cuyo aparato de fuerzas de superficie SFA midió las fuerzas de interacción entre las superficies de sílice a través del agua ".tener que romper algún vínculo para que se forme este otro vínculo. Y eso puede llevar tiempo ".
No es solo la mera presencia de los grupos de silanol lo que puede afectar la adhesión del agua a las superficies de sílice. Los investigadores quedaron perplejos por una caída no lineal en la difusividad del agua superficial, medida por el aparato de polarización nuclear dinámica Overhauser en el laboratorio HanA medida que la composición química de la superficie de sílice pasó de ser hidrófoba a hidrófila, ese misterio fue resuelto posteriormente por el profesor de ingeniería química de la UCSB Scott Shell y su estudiante graduado Jacob Monroe, cuyas simulaciones por computadora revelaron la disposición relativa de los grupos de silanol y siloxano en la superficie.una influencia en la adhesión del agua
"Si tiene la misma fracción de grupos de gusto por el agua y de grupos de disgusto por el agua, al reorganizarlos espacialmente, puede variar significativamente la movilidad del agua", dijo Han.
Los procesos impulsados por catalizadores no son lo único que se puede mejorar con una comprensión molecular de la adhesión de agua de sílice. La filtración y la cromatografía también se pueden mejorar.
"También es importante en los procedimientos de sala limpia, la nanofabricación y la formación de microprocesadores", dijo Schrader, quien señaló que los microprocesadores se fabrican en sustratos de obleas de silicio con una fina capa de vidrio, sobre la cual se colocan los circuitos ". Es importante comprender cómoLa superficie real de la oblea de silicio se ve a nivel químico y cómo estas diferentes capas de metal que depositan en ella se adhieren y cómo se ven ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por Sonia Fernández. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :