Comprendre les diverses interactions et structures moléculaires qui surviennent parmi les molécules d'eau de surface permettrait aux scientifiques et aux ingénieurs de développer toutes sortes de nouveaux matériaux hydrophobes/hydrophiles ou d'améliorer ceux qui existent déjà. Par exemple, la friction causée par l'eau sur les navires pourrait être réduite grâce à l'ingénierie des matériaux, conduisant à une plus grande efficacité. D'autres applications incluent, mais ne sont pas limités à, implants médicaux et surfaces anti-givrage pour avions. Cependant, les phénomènes qui se produisent dans les eaux de surface sont si complexes que l'Université des sciences de Tokyo, Japon, a créé un centre de recherche dédié, appelé « Water Frontier Science and Technology, " où différents groupes de recherche abordent ce problème sous des angles différents (analyse théorique, études expérimentales, développement matériel, etc). Le professeur Takahiro Yamamoto dirige un groupe de scientifiques dans ce centre, et ils essaient de résoudre ce mystère grâce à des simulations des structures microscopiques, Propriétés, et les fonctions de l'eau à la surface des matériaux.

Pour cette étude en particulier, qui a été publié dans le Journal japonais de physique appliquée , les chercheurs de l'Université des sciences de Tokyo, en collaboration avec les chercheurs de la Division Solutions Scientifiques, Institut d'information et de recherche Mizuho, Inc., axé sur les interactions entre les molécules d'eau et le graphène, un matériau à base de carbone à charge neutre qui peut être rendu atomiquement plat. "L'eau de surface sur les nanomatériaux de carbone tels que le graphène a beaucoup attiré l'attention car les propriétés de ces matériaux les rendent idéales pour étudier la structure microscopique de l'eau de surface, " explique le professeur Yamamoto. Il avait déjà été souligné dans des études précédentes que les molécules d'eau sur le graphène ont tendance à former des formes polygonales (2-D) stables à la fois dans l'eau de surface et dans l'eau "libre" (molécules d'eau éloignées de la surface du matériau) . De plus, il avait été noté que la probabilité de trouver ces structures était radicalement différente dans les eaux de surface que dans les eaux libres. Cependant, les différences entre eau de surface et eau libre doivent être établies, et la transition entre les deux est difficile à analyser en utilisant les méthodes de simulation conventionnelles.

Compte tenu de cette situation, l'équipe de recherche a décidé de combiner une méthode issue de la science des données, appelée homologie persistante (PH), avec des simulations de dynamique moléculaire. PH permet la caractérisation des structures de données, y compris ceux contenus dans les images/graphiques, mais il peut également être utilisé en science des matériaux pour trouver des structures 3-D stables entre les molécules. "Notre étude représente la première fois que le PH a été utilisé pour une analyse structurelle des molécules d'eau, " remarque le Pr Yamamoto. Avec cette stratégie, les chercheurs ont pu obtenir une meilleure idée de ce qui arrive aux molécules d'eau de surface à mesure que de plus en plus de couches d'eau sont ajoutées sur le dessus.

Lorsqu'une seule couche de molécules d'eau est déposée sur le graphène, les molécules d'eau s'alignent de sorte que leurs atomes d'hydrogène forment des structures polygonales stables avec différents nombres de côtés par le biais de liaisons hydrogène. Cela "fixe" l'orientation et la position relative de ces molécules d'eau de première couche, qui forment maintenant des formes parallèles à la couche de graphène. Si une deuxième couche de molécules d'eau est ajoutée, les molécules des première et deuxième couches forment des structures 3-D appelées tétraèdres, qui ressemblent à une pyramide mais à base triangulaire. Avec curiosité, ces tétraèdres sont pour la plupart pointés vers le bas (vers la couche de graphène), car cette orientation est « énergétiquement favorable ». En d'autres termes, l'ordre de la première couche se traduit par la seconde pour former ces structures 3-D avec une orientation cohérente. Cependant, à mesure qu'un troisième et plus de couches sont ajoutés, les tétraèdres qui se forment ne pointent pas nécessairement vers le bas et semblent plutôt libres de pointer dans n'importe quelle direction, influencé par les forces environnantes. "Ces résultats confirment que le croisement entre l'eau de surface et l'eau libre se produit dans seulement trois couches d'eau, " explique le Pr Yamamoto.

Les chercheurs ont fourni une vidéo d'une de leurs simulations où ces structures 2D et 3D sont mises en évidence, permettant de comprendre l'image complète. "Notre étude est un bon exemple de l'application des techniques modernes d'analyse de données pour obtenir des informations nouvelles et importantes, " ajoute le Pr Yamamoto. De plus, ces prédictions ne devraient pas être difficiles à mesurer expérimentalement sur le graphène par des techniques de microscopie à force atomique, qui ferait, sans aucun doute, confirmer l'existence de ces structures et valider davantage la combinaison des techniques utilisées. Le professeur Yamamoto conclut :« Bien que le graphène soit une surface plutôt simple et que nous puissions nous attendre à des structures d'eau plus compliquées sur d'autres types de matériaux, notre étude fournit un point de départ pour des discussions sur des effets de surface plus réalistes, et nous nous attendons à ce que cela conduise au contrôle des propriétés de surface."