Dans une étude récemment publiée dans la revue Nanoscale , des chercheurs de l'Université de Kanazawa et d'AGC Inc. utilisent la microscopie à force atomique tridimensionnelle pour étudier la forme hydratée et la structure des cristaux d'oxyde courants.
Bien que le saphir et le quartz soient des cristaux d’oxyde utilisés dans un large éventail d’applications industrielles, les structures à l’échelle atomique de ces matériaux ne sont pas bien comprises. Les principaux composants chimiques du saphir et du quartz sont respectivement l’oxyde d’aluminium et le dioxyde de silicium. Ces composants ont une grande affinité pour l’eau, ce qui affecte la réactivité chimique des cristaux. Ainsi, une connaissance approfondie des propriétés de rétention d'eau de ces oxydes est importante pour d'autres applications innovantes.
À ce jour, les méthodes microscopiques traditionnelles n’ont fourni qu’un aperçu de la topographie bidimensionnelle de leurs surfaces. Aujourd'hui, une équipe de recherche dirigée par Keisuke Miyazawa du NanoLSI de l'Université de Kanazawa a développé une technique de microscopie tridimensionnelle (3D) pour une étude détaillée de l'interaction des surfaces de ces matériaux avec l'eau.
L’équipe a commencé par examiner les structures de surface et ses structures d’hydratation du saphir et du quartz α dans l’eau. Pour cela, ils ont utilisé une forme avancée de microscopie connue sous le nom de microscopie à force atomique 3D (3D-AFM). Les cristaux d'oxyde contiennent généralement des groupes hydroxyle (OH), qui sont les principales molécules « liant l'eau », étroitement liées aux oxydes. Ainsi, l'équipe a étudié les groupes OH et ses structures d'hydratation sur les deux cristaux lorsqu'ils sont immergés dans l'eau.
Ils ont constaté que la couche d’hydratation sur le saphir n’était pas uniforme en raison de la répartition locale non uniforme des groupes OH en surface. D'autre part, la couche d'hydratation sur le quartz α était uniforme en raison de la répartition atomiquement plate des groupes OH en surface.
Lorsque la force d'interaction de ces oxydes avec l'eau a ensuite été mesurée, il a été constaté qu'une force plus grande était nécessaire pour rompre les liaisons eau-cristal dans le saphir que dans le quartz α. On a également découvert que cette affinité était beaucoup plus élevée dans les régions où les oxydes étaient très proches des groupes OH.
Cette étude a montré que les structures d'hydratation des oxydes dépendent de l'emplacement et de la densité des groupes OH, en plus de la force de la liaison hydrogène (la liaison chimique utilisée pour se lier à l'eau) des groupes OH. De plus, il a été démontré ici avec succès que l'AFM 3D peut être utilisé pour comprendre l'interaction de l'eau avec plusieurs surfaces, une voie potentielle pour mieux comprendre les interactions solide-liquide.
"Cette étude contribue à l'application de l'AFM 3D dans l'exploration des structures d'hydratation à l'échelle atomique sur diverses surfaces, et donc à un large éventail de domaines de recherche sur les interfaces solide-liquide", concluent les chercheurs.
Microscopie à force atomique 3D (3D-AFM) :L'AFM est une forme avancée de microscopie dans laquelle une pointe pointue est montée sur un porte-à-faux et suit la surface d'une molécule. Ce faisant, la pointe émet des signaux en fonction de son mouvement, ce qui permet d’identifier la topographie de la molécule. Cependant, comprendre les structures plus profondes des molécules nécessite une vue d’ensemble tridimensionnelle de leurs surfaces. Ainsi, les chercheurs ont utilisé une version plus avancée de l'AFM dans cette étude, qui a capturé la structure des cristaux hydratés en 3D.
Plus d'informations : Sho Nagai et al, Ordre tridimensionnel des molécules d'eau reflétant les groupes hydroxyle sur les surfaces de saphir (001) et de quartz α (100), Nanoscale (2023). DOI :10.1039/D3NR02498A
Informations sur le journal : Nanoéchelle
Fourni par l'Université de Kanazawa
