二氧化硅的化學結構可以影響許多化學過程的有效性

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】硅是一種用途廣泛的材料，廣泛應用於各種工業過程中，從催化和過濾，到色譜和納米化。然而儘管它在實驗室和潔凈室中隨處可見，但令人驚訝的是，在分子水平上，二氧化硅與水的表面相互作用卻鮮為人知。加州大學聖芭芭拉分校化學教授、最近在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of The National Academy of Sciences)上發表的一篇論文的作者Songi Han說：水與表面相互作用的方式影響著許多過程，在許多情況下，科學家和工程師直覺地發現，硅和水的潛在交互作用和設計設備、實驗和過程是基於經驗證據的。但是對硅表面化學拓撲結構如何改變表面水結構的機理理解可能會導致這些過程的基本原理設計。

圖片版權：University of California - Santa Barbara

對許多人來說，玻璃是玻璃的，它使我們想起我們為窗戶或餐具所使用的清晰、堅硬、光滑、均勻的材料。然而，在更深的層面上，我們所說的「玻璃」實際上是一種更複雜的材料，可以包含不同的化學性質，分布廣泛。PNAS論文的首席作者研究生研究員亞歷克斯·施拉德(Alex Schrader)說：玻璃是一種我們都很熟悉的材料，但許多人可能不知道的是，它是我們所說的化學異質性表面。他說有兩種不同類型的化學基團構成了玻璃表面，硅烷醇(SiOH)基團通常是親水的，或者是硅氧烷(SiOHSi)基團，通常是防水的。我們所展示的是，你在表面上排列這兩種化學物質的方式，會極大地影響水與表面的相互作用，進而影響物理觀察現象，比如水如何在玻璃上傳播。例如在催化等某些過程中，以白色粉末形式存在的二氧化硅(又稱二氧化硅或二氧化硅)作為一種支撐劑，催化劑附著在粉末顆粒上，而粉末顆粒又將其帶入過程中。

雖然二氧化硅不直接參与催化，但如果化學基團主要是親水或疏水，硅顆粒的表面分子組成會影響其有效性。研究人員發現，如果二氧化硅表面有親水硅醇基團，它就會吸引水分子，實際上形成了水分子的「軟屏障」，反應物必須克服這些水分子以某種方式滲透到所需的過程或反應中。UCSB化學工程教授Jacob以色列elachvili說：總是有動態的，水分子必須交換他們的位置，所以這就是為什麼它很複雜，表面力設備(SFA)測量了水裡硅表面的相互作用力。必須打破一些鍵，才能形成另一個鍵，這需要時間。不僅僅是硅烷醇類的存在會影響到二氧化硅表面的水粘附。研究人員對錶面水擴散的非線性下降感到困惑，這是由漢實驗室的超hauser動態核極化儀測量的，因為硅表面的化學成分由疏水性轉移到親水。

後來UCSB化學工程教授Scott Shell和他的研究生Jacob Monroe解決了這個謎題，他的計算機模擬顯示硅烷醇和硅氧烷基團在表面的相對排列對水的粘附也有影響。如果你有相同比例的親水群體和不喜歡水的群體，通過在空間上重新排列，你就能顯著改變水的流動。催化驅動的過程並不是唯一可以通過對硅-水粘合的分子理解而得到改善的方法。過濾和色譜也可以改進。在潔凈室的程序、納米化和微處理器的形成過程中，它也很重要。微處理器是在硅晶片基片上製造的，表面有一層薄薄的玻璃，並在上面鋪設電路。「重要的是要了解硅晶片的實際表面是如何看待化學水平的，以及這些不同的金屬層是如何附著在它上面的，以及它們是如何出現的。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：美國國家科學院院刊

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：加州大學聖塔芭芭拉分校

編譯：光量子

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

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