化学工程师揭示了对固体表面进行图案化的方法 以增强水与它们的相互作用

固体表面附近的水的动力学在许多技术中起着关键作用，包括水过滤和纯化，色谱和催化。影响这些动力学的一种众所周知的方法是改变表面疏水性或表面排斥水的程度，这反过来影响水如何“润湿”表面。可以通过改变界面上疏水性化学基团的平均覆盖率或表面密度来实现这种修饰。

现在，在“美国国家科学院院刊”上发表的一篇论文中，主要作者雅各布梦露获得了五年级博士学位。加州大学圣巴巴拉分校化学工程师M. Scott Shell实验室的学生，提供了控制这些动态因素的新视角。通过使用计算机模拟来设计表面，研究人员能够确定一种更细微的方式，其中表面疏水性影响界面处的水动力学。这些发现可能对膜产生重要影响，尤其是那些用于水过滤的膜。

“我们所看到的仅仅是改变图案化 - 疏水性和亲水性基团的分布，而不改变平均表面密度 - 在界面处产生相当大的影响，”Monroe说。“知道我是否希望水以最佳方式流过膜是很有价值的。”

Monroe和他的同事发现，如果他们将所有疏水基团排列在一起并使表面非常不整齐，那么水的移动速度会更快; 如果他们将它们分开，水就会减慢。“如果膜用于水过滤，你可能希望水快速穿过它，”门罗指出，“但你可能也想让水停留在表面，以帮助排斥粘附在其上的颗粒并弄脏膜。 “

在许多类型的材料中，疏水性和亲水性基团通常以某种密度存在，并且虽然水在表面附近移动的速率并不是影响膜表现的唯一因素，但Monroe建议理解这些动力学是设计的一个步骤。更高效的膜。而这反过来又涉及过滤的能量成本以及污染物如何容易粘附到膜壁上，从而从水中除去。

研究人员尚未使用有关表面图案的信息来设计适合特定应用的材料，尽管他们计划使用。但他们关于图案化的发现与解释实验直接相关，因为这意味着单独评估疏水基团的表面密度不足以表征材料。

Monroe和Shell通过将分子动力学模拟与遗传算法优化结合起来发现了分布效应，遗传算法优化只是一种模拟自然进化的算法 - 这里用于识别增加或减少表面水流动性的表面模式。

“这有点像育种计划，”门罗解释道。“如果你有一群狗，你想要一种特定种类的狗，比如一只更大或者尾巴更短或者头更大的狗，你就会培育出具有这些特征的狗。我们在电脑上做同样的事情，但我们的目标是设计一个具有特定特征的表面，使其能够执行我们想要的方式。您需要适应度量，然后您可以调整遗传算法以优化特定的性能特征，例如，让水快速移动穿过膜或吸附在表面上。在另一种情况下，它可能是水通过表面中的单个孔移动的速度。而在另一个情况下，我们可以看一种污染物是否粘附而另一种不粘。

“因此，我们运行分子动力学模拟来评估这些属性，”他继续道。“我们为每个人分配适合度，然后我们在空间上混合最适合的个体，并将系统推向我们希望他们拥有的属性。”

Monroe认为，这种亚纳米级表面图案化方法是用于多种应用的工程固体 - 水界面的重要设计参数，并且它可以为具有设计的水合 - 水动力学的工程材料提供广泛的策略。

“这项工作令人兴奋，因为它首次表明，表面上的纳米级图案是工程材料的有效手段，可以产生独特的水动力学，”壳牌说。“长期以来人们一直认为生物分子，如蛋白质，使用表面化学模式来影响水向动力学的功能，如加速结合事件，这是许多生物分子过程的基础。我们现在使用计算优化算法'学习'这些模式应该看起来像具有目标性能特征的合成材料。结果表明一种新的方法来设计表面以精确控制它们附近的水动力学，这对于化学分离和催化任务变得非常重要。