水的形状:材料表面上水分子的外观

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了解地表水分子之间发生的各种分子相互作用和结构,将使科学家和工程师能够开发出各种新颖的疏水/亲水材料或改善现有材料。例如,可以通过材料工程减少船上水引起的摩擦,从而提高效率。其他应用包括但不限于飞机的医疗植入物和防冰表面。但是,地表水中发生的现象非常复杂,以至于日本东京科学大学成立了专门的研究中心,称为“水边科学与技术”,各个研究小组从不同的角度来解决这个问题(理论分析,实验研究,材料开发等)。

特别是对于这项研究,已发表在《日本应用物理学杂志》上,东京科学大学的研究人员与瑞穗信息研究院的科学解决方案部门的研究人员合作,着重研究了水分子与石墨烯之间的相互作用,石墨烯是一种电荷中性的碳基材料,可以制成原子平面。山本教授解释说:“碳纳米材料(例如石墨烯)上的表面水备受关注,因为这些材料的特性使其非常适合研究地表水的微观结构。” 在先前的研究中已经指出,石墨烯上的水分子倾向于在地表水和“自由”水中(远离材料表面的水分子)形成稳定的多边形(2D)形状。此外,已经注意到,在地表水中发现这些结构的可能性与在自由水中发现这些结构的可能性完全不同。但是,必须确定地表水和自由水之间的差异,并且使用传统的模拟方法很难分析两者之间的过渡。

考虑到这种情况,研究小组决定将一种来自数据科学的方法(称为持久同源性(PH))与分子动力学模拟相结合。PH可以表征数据结构,包括图像/图形中包含的那些,但也可以用于材料科学中以发现分子之间的稳定3D结构。山本教授说:“我们的研究代表首次将PH用于水分子的结构分析。” 通过这种策略,研究人员能够更好地了解随着顶部水的添加,地表水分子发生了什么变化。

将单层水分子放在石墨烯上时,水分子会对齐,以使它们的氢原子形成稳定的多边形结构,并通过氢键形成不同数目的侧面。这“固定”了这些第一层水分子的方向和相对位置,这些分子现在正在形成与石墨烯层平行的形状。如果添加了第二层水分子,则来自第一层和第二层的分子将形成称为四面体的3D结构,该结构类似于金字塔,但具有三角形的底面。奇怪的是,这些四面体大多朝下(朝向石墨烯层),因为这种取向“在能量上是有利的”。换句话说,从第一层开始的顺序转换为第二层,以形成具有一致方向的这些3D结构。然而,当添加第三层或更多层时,形成的四面体不一定指向下方,而是可以自由指向任何方向,而受到周围力的影响。山本教授解释说:“这些结果证实了地表水和自由水之间的交换仅发生在三层水内。”

研究人员提供了其中一个模拟视频,其中突出显示了这些2D和3D结构,使人们可以了解整个图片。山本教授补充说:“我们的研究是应用现代数据分析技术获得新的重要见解的一个很好的例子。” 此外,通过原子力显微镜技术很难在石墨烯上通过实验测量这些预测,这无疑将证实这些结构的存在并进一步验证所用技术的组合。山本教授总结说:“尽管石墨烯是一个相当简单的表面,我们可以预期其他类型材料上的水结构会更加复杂,但我们的研究为讨论更真实的表面效果提供了一个起点,


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