固體表面附近的水的動力學在許多技術(shù)中起著關(guān)鍵作用，包括水過濾和純化，色譜和催化。影響這些動力學的一種眾所周知的方法是改變表面疏水性或表面排斥水的程度，這反過來影響水如何“潤濕”表面?？梢酝ㄟ^改變界面上疏水性化學基團的平均覆蓋率或表面密度來實現(xiàn)這種修飾。

現(xiàn)在，在“美國國家科學院院刊”上發(fā)表的一篇論文中，主要作者雅各布夢露獲得了五年級博士學位。加州大學圣巴巴拉分校化學工程師M. Scott Shell實驗室的學生，提供了控制這些動態(tài)因素的新視角。通過使用計算機模擬來設(shè)計表面，研究人員能夠確定一種更細微的方式，其中表面疏水性影響界面處的水動力學。這些發(fā)現(xiàn)可能對膜產(chǎn)生重要影響，尤其是那些用于水過濾的膜。

“我們所看到的僅僅是改變圖案化 - 疏水性和親水性基團的分布，而不改變平均表面密度 - 在界面處產(chǎn)生相當大的影響，”Monroe說。“知道我是否希望水以最佳方式流過膜是很有價值的。”

Monroe和他的同事發(fā)現(xiàn)，如果他們將所有疏水基團排列在一起并使表面非常不整齊，那么水的移動速度會更快; 如果他們將它們分開，水就會減慢。“如果膜用于水過濾，你可能希望水快速穿過它，”門羅指出，“但你可能也想讓水停留在表面，以幫助排斥粘附在其上的顆粒并弄臟膜。 “

在許多類型的材料中，疏水性和親水性基團通常以某種密度存在，并且雖然水在表面附近移動的速率并不是影響膜表現(xiàn)的唯一因素，但Monroe建議理解這些動力學是設(shè)計的一個步驟。更高效的膜。而這反過來又涉及過濾的能量成本以及污染物如何容易粘附到膜壁上，從而從水中除去。

研究人員尚未使用有關(guān)表面圖案的信息來設(shè)計適合特定應用的材料，盡管他們計劃使用。但他們關(guān)于圖案化的發(fā)現(xiàn)與解釋實驗直接相關(guān)，因為這意味著單獨評估疏水基團的表面密度不足以表征材料。

Monroe和Shell通過將分子動力學模擬與遺傳算法優(yōu)化結(jié)合起來發(fā)現(xiàn)了分布效應，遺傳算法優(yōu)化只是一種模擬自然進化的算法 - 這里用于識別增加或減少表面水流動性的表面模式。

“這有點像育種計劃，”門羅解釋道。“如果你有一群狗，你想要一種特定種類的狗，比如一只更大或者尾巴更短或者頭更大的狗，你就會培育出具有這些特征的狗。我們在電腦上做同樣的事情，但我們的目標是設(shè)計一個具有特定特征的表面，使其能夠執(zhí)行我們想要的方式。您需要適應度量，然后您可以調(diào)整遺傳算法以優(yōu)化特定的性能特征，例如，讓水快速移動穿過膜或吸附在表面上。在另一種情況下，它可能是水通過表面中的單個孔移動的速度。而在另一個情況下，我們可以看一種污染物是否粘附而另一種不粘。

“因此，我們運行分子動力學模擬來評估這些屬性，”他繼續(xù)道。“我們?yōu)槊總€人分配適合度，然后我們在空間上混合最適合的個體，并將系統(tǒng)推向我們希望他們擁有的屬性。”

Monroe認為，這種亞納米級表面圖案化方法是用于多種應用的工程固體 - 水界面的重要設(shè)計參數(shù)，并且它可以為具有設(shè)計的水合 - 水動力學的工程材料提供廣泛的策略。

“這項工作令人興奮，因為它首次表明，表面上的納米級圖案是工程材料的有效手段，可以產(chǎn)生獨特的水動力學，”殼牌說。“長期以來人們一直認為生物分子，如蛋白質(zhì)，使用表面化學模式來影響水向動力學的功能，如加速結(jié)合事件，這是許多生物分子過程的基礎(chǔ)。我們現(xiàn)在使用計算優(yōu)化算法'學習'這些模式應該看起來像具有目標性能特征的合成材料。結(jié)果表明一種新的方法來設(shè)計表面以精確控制它們附近的水動力學，這對于化學分離和催化任務變得非常重要。