La dynamique de l'eau près des surfaces solides joue un rôle critique dans de nombreuses technologies, y compris la filtration et la purification de l'eau, chromatographie et catalyse. Un moyen bien connu d'influencer ces dynamiques, qui à son tour affecte la façon dont l'eau "mouille" une surface, est de modifier l'hydrophobie de la surface, ou la mesure dans laquelle la surface repousse l'eau. De telles modifications peuvent être obtenues en modifiant la couverture moyenne, ou densité surfacique, de groupes chimiques hydrophobes à l'interface.

Maintenant, dans un article publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , l'auteur principal Jacob Monroe, un doctorat de cinquième année. étudiant dans le laboratoire de l'ingénieur chimiste de l'UC Santa Barbara M. Scott Shell, offre une nouvelle perspective sur les facteurs qui contrôlent ces dynamiques. En utilisant des simulations informatiques pour concevoir les surfaces, les chercheurs ont pu identifier une manière plus nuancée dont l'hydrophobie de surface influence la dynamique de l'eau à une interface. Les résultats pourraient avoir des ramifications importantes pour les membranes, en particulier ceux utilisés dans la filtration de l'eau.

"Ce que nous constatons, c'est que le simple fait de changer le motif - la distribution de ces groupes hydrophobes et hydrophiles, sans modifier les densités surfaciques moyennes - produit des effets assez importants à une interface, " a déclaré Monroe. " C'est important de savoir si je veux que l'eau s'écoule à travers une membrane de manière optimale. "

Monroe et ses collègues ont découvert que s'ils arrangeaient tous les groupes hydrophobes ensemble et rendaient la surface très inégale, l'eau se déplace plus vite; s'ils les écartent tous, l'eau ralentit. "Si la membrane était destinée à la filtration de l'eau, vous voudrez peut-être que l'eau se déplace rapidement à travers elle, " Monroe a noté, "mais vous voudrez peut-être aussi que l'eau reste à la surface pour aider à repousser les particules qui s'y collent et encrassent la membrane."

Les groupes hydrophobes et hydrophiles sont souvent présents à une certaine densité dans de nombreux types de matériaux, et bien que la vitesse à laquelle l'eau se déplace près d'une surface n'est pas le seul facteur qui influe sur le fonctionnement d'une membrane, Monroe suggère que la compréhension de ces dynamiques est une étape vers la conception de membranes plus efficaces. Et cela, à son tour, concerne le coût énergétique de la filtration et la facilité avec laquelle les contaminants peuvent adhérer aux parois de la membrane et, Donc, être retiré de l'eau.

Les chercheurs n'ont pas encore utilisé les informations sur la structuration de surface pour concevoir des matériaux pour des applications spécifiques, bien qu'ils prévoient de le faire. Mais leur découverte sur la structuration a une pertinence immédiate pour l'interprétation des expériences, car cela signifie qu'il ne suffit pas d'évaluer la densité surfacique des groupements hydrophobes pour caractériser le matériau.

Monroe et Shell ont découvert l'effet de distribution en combinant des simulations de dynamique moléculaire avec une optimisation d'algorithme génétique, qui est simplement un algorithme qui émule l'évolution naturelle - ici utilisé pour identifier les modèles de surface qui augmentent ou diminuent la mobilité de l'eau de surface.

"C'est un peu comme un programme d'élevage, " expliqua Monroe. " Si vous aviez un groupe de chiens et que vous vouliez un certain type de chien, disons un qui est plus gros ou a une queue plus courte ou une tête plus grosse, vous élèveriez les chiens qui ont ces caractéristiques. On fait la même chose sur un ordinateur, mais notre objectif est de concevoir une surface ayant des caractéristiques spécifiques qui lui permettent de fonctionner comme nous le souhaitons. Vous avez besoin de la métrique de fitness, et ensuite vous pouvez régler l'algorithme génétique pour optimiser des caractéristiques de performances spécifiques, par exemple, faire circuler l'eau rapidement à travers une membrane ou s'adsorber sur une surface. Dans un autre cas, cela pourrait être la vitesse à laquelle l'eau se déplace à travers un seul pore de la surface. Et dans un autre, nous pourrions voir si une espèce de contaminant adhère et une autre non.

"Donc, nous effectuons des simulations de dynamique moléculaire pour évaluer ces propriétés, " a-t-il poursuivi. " Nous attribuons un niveau de forme physique à chaque individu, puis nous hybridons les individus les plus adaptés dans l'espace et conduisons les systèmes vers les propriétés que nous voulons qu'ils aient."

Monroe pense que cette méthode de modelage de surface à l'échelle sub-nano est un paramètre de conception important pour l'ingénierie des interfaces solide-eau pour de multiples applications, et qu'il peut fournir une vaste stratégie pour l'ingénierie des matériaux ayant conçu la dynamique hydratation-eau.

"Ce travail est passionnant car il montre pour la première fois que la structuration à l'échelle nanométrique sur les surfaces est un moyen efficace de concevoir des matériaux qui donnent lieu à une dynamique de l'eau unique, " Shell a dit. " On a longtemps pensé que les molécules biologiques, comme les protéines, utiliser la structuration chimique de surface pour influencer la dynamique de l'eau à des fins fonctionnelles, tels que l'accélération des événements de liaison qui sous-tendent de nombreux processus biomoléculaires. Nous avons maintenant utilisé un algorithme d'optimisation informatique pour « apprendre » à quoi devraient ressembler ces modèles dans les matériaux synthétiques ayant des caractéristiques de performance cibles. Les résultats suggèrent une nouvelle façon de concevoir des surfaces pour contrôler avec précision la dynamique de l'eau à proximité, ce qui devient très important pour les séparations chimiques et les tâches de catalyse."