【博科园-科学科普（关注“博科园”看更多）】硅是一种用途广泛的材料，广泛应用于各种工业过程中，从催化和过滤，到色谱和纳米化。然而尽管它在实验室和洁净室中随处可见，但令人惊讶的是，在分子水平上，二氧化硅与水的表面相互作用却鲜为人知。加州大学圣芭芭拉分校化学教授、最近在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上发表的一篇论文的作者Songi Han说：水与表面相互作用的方式影响着许多过程，在许多情况下，科学家和工程师直觉地发现，硅和水的潜在交互作用和设计设备、实验和过程是基于经验证据的。但是对硅表面化学拓扑结构如何改变表面水结构的机理理解可能会导致这些过程的基本原理设计。
图片版权：University of California - Santa Barbara
对许多人来说，玻璃是玻璃的，它使我们想起我们为窗户或餐具所使用的清晰、坚硬、光滑、均匀的材料。然而，在更深的层面上，我们所说的“玻璃”实际上是一种更复杂的材料，可以包含不同的化学性质，分布广泛。PNAS论文的首席作者研究生研究员亚历克斯·施拉德(Alex Schrader)说：玻璃是一种我们都很熟悉的材料，但许多人可能不知道的是，它是我们所说的化学异质性表面。他说有两种不同类型的化学基团构成了玻璃表面，硅烷醇(SiOH)基团通常是亲水的，或者是硅氧烷(SiOHSi)基团，通常是防水的。我们所展示的是，你在表面上排列这两种化学物质的方式，会极大地影响水与表面的相互作用，进而影响物理观察现象，比如水如何在玻璃上传播。例如在催化等某些过程中，以白色粉末形式存在的二氧化硅(又称二氧化硅或二氧化硅)作为一种支撑剂，催化剂附着在粉末颗粒上，而粉末颗粒又将其带入过程中。
虽然二氧化硅不直接参与催化，但如果化学基团主要是亲水或疏水，硅颗粒的表面分子组成会影响其有效性。研究人员发现，如果二氧化硅表面有亲水硅醇基团，它就会吸引水分子，实际上形成了水分子的“软屏障”，反应物必须克服这些水分子以某种方式渗透到所需的过程或反应中。UCSB化学工程教授Jacob以色列elachvili说：总是有动态的，水分子必须交换他们的位置，所以这就是为什么它很复杂，表面力设备(SFA)测量了水里硅表面的相互作用力。必须打破一些键，才能形成另一个键，这需要时间。不仅仅是硅烷醇类的存在会影响到二氧化硅表面的水粘附。研究人员对表面水扩散的非线性下降感到困惑，这是由汉实验室的超hauser动态核极化仪测量的，因为硅表面的化学成分由疏水性转移到亲水。
后来UCSB化学工程教授Scott Shell和他的研究生Jacob Monroe解决了这个谜题，他的计算机模拟显示硅烷醇和硅氧烷基团在表面的相对排列对水的粘附也有影响。如果你有相同比例的亲水群体和不喜欢水的群体，通过在空间上重新排列，你就能显著改变水的流动。催化驱动的过程并不是唯一可以通过对硅-水粘合的分子理解而得到改善的方法。过滤和色谱也可以改进。在洁净室的程序、纳米化和微处理器的形成过程中，它也很重要。微处理器是在硅晶片基片上制造的，表面有一层薄薄的玻璃，并在上面铺设电路。“重要的是要了解硅晶片的实际表面是如何看待化学水平的，以及这些不同的金属层是如何附着在它上面的，以及它们是如何出现的。
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参考：美国国家科学院院刊
内容：经“博科园”判定符合今主流科学
来自：加州大学圣塔芭芭拉分校
编译：光量子
审校：博科园
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