La dinámica del agua cerca de las superficies sólidas juega un papel crítico en numerosas tecnologías, incluida la filtración y purificación del agua, la cromatografía y la catálisis. Una forma conocida de influir en esas dinámicas, que a su vez afecta la forma en que el agua "humedece" una superficie, espara modificar la hidrofobicidad de la superficie, o la medida en que la superficie repele el agua. Dichas modificaciones se pueden lograr alterando la cobertura promedio, o la densidad de la superficie, de los grupos químicos hidrofóbicos en la interfaz.
Ahora, en un artículo publicado en el Actas de la Academia Nacional de Ciencias , el autor principal Jacob Monroe, estudiante de doctorado de quinto año en el laboratorio del ingeniero químico de la UC Santa Barbara M. Scott Shell, ofrece una nueva perspectiva sobre los factores que controlan estas dinámicas. Mediante el uso de simulaciones por computadora para diseñar elsuperficies, los investigadores pudieron identificar una forma más matizada en la que la hidrofobicidad de la superficie influye en la dinámica del agua en una interfaz. Los hallazgos podrían tener ramificaciones importantes para las membranas, especialmente las utilizadas en la filtración de agua.
"Lo que estamos viendo es que solo cambiar el patrón solo, la distribución de esos grupos hidrofóbicos e hidrofílicos, sin cambiar las densidades de superficie promedio, produce efectos bastante grandes en una interfaz", dijo Monroe. "Eso es valioso parasaber si quiero que el agua fluya a través de una membrana de manera óptima "
Monroe y sus colegas descubrieron que si organizan todos los grupos hidrofóbicos juntos y hacen que la superficie sea muy irregular, el agua se mueve más rápido; si los separan todos, el agua se ralentiza ". Si la membrana fuera para filtración de agua,es posible que desee que el agua se mueva rápidamente a través de él ", señaló Monroe," pero también puede querer que el agua se asiente en la superficie para ayudar a repeler las partículas que se adhieren a ella y ensucian la membrana ".
Los grupos hidrófobos e hidrófilos a menudo están presentes con cierta densidad en muchos tipos de materiales, y aunque la velocidad a la que el agua se mueve cerca de una superficie no es el único factor que afecta el rendimiento de una membrana, Monroe sugiere que comprender esas dinámicas es un pasohacia el diseño de membranas más eficientes. Y eso, a su vez, se relaciona con el costo energético de la filtración y con qué facilidad los contaminantes pueden adherirse a las paredes de la membrana y, por lo tanto, eliminarse del agua.
Los investigadores aún no han utilizado la información sobre el diseño de la superficie para diseñar materiales para aplicaciones específicas, aunque planean hacerlo. Pero su hallazgo sobre el diseño tiene una relevancia inmediata para interpretar experimentos, porque significa que evaluar solo la densidad de la superficie de los grupos hidrofóbicos esno es suficiente para caracterizar el material.
Monroe y Shell descubrieron el efecto de distribución combinando simulaciones de dinámica molecular con una optimización de algoritmo genético, que es simplemente un algoritmo que emula la evolución natural; aquí se utiliza para identificar patrones de superficie que aumentan o disminuyen la movilidad del agua superficial.
"Es algo así como un programa de reproducción", explicó Monroe. "Si tuvieras un grupo de perros y quisieras cierto tipo de perro, digamos uno que sea más grande o tenga una cola más corta o una cabeza más grande, criarías elperros que tienen esas características. Hacemos lo mismo en una computadora, pero nuestro objetivo es diseñar una superficie que tenga características específicas que le permitan funcionar como queremos. Necesita la métrica de aptitud física y luego puede ajustar la genéticaalgoritmo para optimizar características de rendimiento específicas, por ejemplo, para que el agua se mueva rápidamente a través de una membrana o para adsorberse en una superficie. En otro caso, podría ser qué tan rápido se mueve el agua a través de un solo poro en la superficie. Y en otro, nosotrospodría observar si una especie de contaminante se adhiere y otra no.
"Entonces, ejecutamos simulaciones de dinámica molecular para evaluar esas propiedades", continuó. "Asignamos un nivel de aptitud física a cada individuo, y luego hibridamos espacialmente a los individuos más aptos y dirigimos los sistemas hacia las propiedades que queremos que tengantener."
Monroe cree que este método de diseño de superficie a nanoescala es un parámetro de diseño importante para diseñar interfaces de agua sólida para múltiples aplicaciones, y que puede proporcionar una estrategia amplia para materiales de ingeniería que han diseñado dinámicas de agua de hidratación.
"Este trabajo es emocionante porque muestra por primera vez que el diseño a nanoescala en las superficies es un medio eficaz de materiales de ingeniería que dan lugar a una dinámica del agua única", dijo Shell. "Durante mucho tiempo se pensó que las moléculas biológicas, como las proteínas, utilice patrones químicos de superficie para influir en la dinámica del agua hacia fines funcionales, como la aceleración de eventos de unión que subyacen a muchos procesos biomoleculares. Ahora hemos utilizado un algoritmo de optimización computacional para 'aprender' cómo deberían verse estos patrones en materiales sintéticos con características de rendimiento objetivo.Los resultados sugieren una nueva forma de diseñar superficies para controlar con precisión la dinámica del agua cerca de ellas, lo que se vuelve ampliamente importante para las separaciones químicas y las tareas de catálisis ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por James Badham. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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