Mieux connu sous le nom de verre, la silice est un matériau polyvalent utilisé dans une myriade de procédés industriels, de la catalyse et de la filtration, à la chromatographie et à la nanofabrication. Pourtant, malgré son omniprésence dans les laboratoires et les salles blanches, étonnamment, on sait peu de choses sur les interactions de surface de la silice avec l'eau au niveau moléculaire.

"La façon dont l'eau interagit avec une surface affecte de nombreux processus, " dit Songi Han, professeur de chimie à l'UC Santa Barbara et auteur d'un article récent dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Dans de nombreux cas, elle a expliqué, les scientifiques et les ingénieurs devinent les interactions potentielles entre la silice et l'eau et conçoivent des équipements, des expériences et des processus basés sur des preuves empiriques. Mais une compréhension mécaniste de la façon dont la topologie chimique des surfaces de silice modifie la structure de l'eau à la surface pourrait conduire à une conception rationnelle de ces processus.

Pour plusieurs personnes, le verre est du verre, et rappelle le clair, dur, lisse, matériau d'aspect homogène que nous utilisons pour les fenêtres ou la vaisselle. Cependant, à un niveau plus profond, ce que nous appelons "verre" est en fait un matériau plus complexe qui peut contenir différentes propriétés chimiques avec des distributions étendues.

"Le verre est un matériau que nous connaissons tous, mais ce que beaucoup de gens ne savent probablement pas, c'est que c'est ce que nous appellerions une surface chimiquement hétérogène, " a déclaré le chercheur étudiant diplômé Alex Schrader, auteur principal de la PNAS papier.

Il existe deux types différents de groupes chimiques qui composent les surfaces de verre, il a dit :des groupes silanol (SiOH) qui sont généralement hydrophiles (qui aiment l'eau), ou des groupes siloxane (SiOHSi) qui sont typiquement hydrofuges. "Ce que nous montrons, " Shrader dit, "Est-ce que la façon dont vous organisez ces deux types de chimies à la surface a un impact considérable sur la façon dont l'eau interagit avec la surface, lequel, à son tour, impacte les phénomènes physiques observables, comme la façon dont l'eau se répand sur un verre."

Dans certains procédés comme la catalyse, par exemple, la silice (alias dioxyde de silicium ou SiO2) sous la forme d'une poudre blanchâtre est utilisée comme support - le catalyseur est attaché aux grains de poudre, qui à leur tour l'emportent dans le processus. Alors que la silice ne participe pas directement à la catalyse, la composition moléculaire de surface des grains de silice peut influencer son efficacité si le groupement chimique est majoritairement hydrophile ou hydrophobe. Les chercheurs ont découvert que si la silice a tendance à avoir des groupes silanol hydrophiles à sa surface, il attire les molécules d'eau, formant en effet une "barrière molle" de molécules d'eau que les réactifs devraient surmonter pour pénétrer d'une manière ou d'une autre afin de procéder au processus ou à la réaction souhaités.

« Il y a toujours des dynamiques et les molécules d'eau doivent échanger leurs positions, et c'est pour ça que c'est compliqué, " a déclaré Jacob Israelachvili, professeur de génie chimique à l'UCSB, dont l'appareil de forces de surface (SFA) mesurait les forces d'interaction entre les surfaces de silice à travers l'eau. "Vous devez rompre un lien pour que cet autre lien se forme. Et cela peut prendre du temps."

Ce n'est pas seulement la simple présence des groupes silanol qui peut affecter l'adhérence de l'eau aux surfaces de silice. Les chercheurs ont été intrigués par une baisse non linéaire de la diffusivité de l'eau de surface - telle que mesurée par l'appareil de polarisation nucléaire dynamique Overhauser dans le laboratoire Han - alors que la composition chimique de la surface de silice passait d'hydrophobe à hydrophile. Ce mystère a ensuite été résolu par le professeur de génie chimique de l'UCSB Scott Shell et son étudiant diplômé Jacob Monroe, dont les simulations informatiques ont révélé l'arrangement relatif des groupes silanol et siloxane sur la surface a également eu une influence sur l'adhérence de l'eau.

« Si vous avez la même fraction de groupes qui aiment l'eau et de groupes qui n'aiment pas l'eau, en les réarrangeant simplement dans l'espace, vous pouvez varier considérablement la mobilité de l'eau, " dit Han.

Les processus pilotés par catalyseur ne sont pas la seule chose qui peut être améliorée avec une compréhension moléculaire de l'adhésion silice-eau. La filtration et la chromatographie peuvent également être améliorées.

"C'est aussi important dans les procédures de salle blanche, nanofabrication et formation de microprocesseurs, " dit Schrader, qui a souligné que les microprocesseurs sont fabriqués sur des substrats de plaquettes de silicium avec une fine couche de verre, sur lesquels sont posés les circuits. "Il est important de comprendre à quoi ressemble la surface réelle de la plaquette de silicium au niveau chimique et comment ces différentes couches métalliques qu'elles déposent dessus s'y collent et comment elles apparaissent."