二氧化硅的化學拓撲結構會影響相關化學過程的有效性

摘要：

二氧化硅（通常叫做玻璃）是用於無數工業過程的多功能材料，能用於催化、過濾、色譜以及納米加工。雖然玻璃在實驗室和潔凈室中無處不在，但對於二氧化硅分子與水的表面相互作用，人們知之甚少。

加州大學聖巴巴拉分校化學教授韓松木在最近發表在美國國家科學院學報上的一篇論文上說：「水與表面相互作用的方式會影響許多過程。」她解釋說，在許多情況下，科學家和工程師直觀地看到了二氧化硅和水之間的潛在相互作用，並根據經驗證據設計了設備、實驗和過程。但她對化學拓撲結構的機械理解。硅表面改變表面水的結構可以導致這些過程的基本原理設計。

對於許多人來說，玻璃就是玻璃，讓人想起窗戶或餐具等清晰、堅硬、光滑、均勻的外觀材料。然而，在更深的層面上，「玻璃」實際上是一種更複雜的材料，它不同地方的化學性質也不同，分布範圍很廣。

「玻璃是我們都熟悉的材料，但許多人可能不知道的是，這就是我們所說的化學異質表面，」研究生研究員Alex Schrader（PNAS論文的主要作者）說。

他說，玻璃表面有兩種不同類型的化學基團：硅烷醇（SiOH）基團通常是親水性的（喜歡水的），而硅氧烷（SiOHSi）基團通常具有斥水性。Shrader說，「我們發現，表面上的這兩種化學物質極大地影響了水與玻璃表面的相互作用，從而影響了水在玻璃表面上的宏觀現象，比如水在玻璃上擴散的方式。」

例如，在某些催化過程中，以白色粉末的形式使用二氧化硅（又稱二氧化硅或SiO2作為載體，將催化劑附著在粉末顆粒上，從而粉末顆粒便可將催化劑帶入反應過程中。儘管二氧化硅不直接參与催化，當化學基團以親水或疏水為主時，SiO 2顆粒的表面分子組成會影響其有效性。研究人員發現，如果二氧化硅表面上具有親水硅烷醇基團，它就會吸附水分子，從而形成水分子的「軟屏障」，反應物以某種方式穿透「軟屏障」以進行反應過程。

UCSB化學工程學教授Jacob Israelachvili表示：「由於動力學原因，水分子必須交換位置，這就是為什麼它很複雜，表面測力儀（SFA）測量了水與二氧化硅表面之間的相互作用力。必須打破一種屏障，才能形成另一種屏障，這可能需要時間。」

不僅僅是硅烷醇基團會影響水對二氧化硅表面的附著力。正如Han實驗室的Overhauser動態核極化儀所測量的那樣，隨著二氧化硅表面的化學成分從疏水性變為親水性，研究人員對錶面水的擴散係數非線性下降感到困惑。隨後UCSB化學工程教授Scott Shell和他的研究生Jacob Monroe解決了這個謎團，他用計算機進行模擬，揭示了硅烷醇和硅氧烷基團在表面上的相對排列對水粘附性的影響。

韓說：「如果你擁有相同比例的親水和親水團，只要在空間上重新排列它們，就可以顯著改變水的流動性」。

硅石 - 水分子之間的相互作用並不是改進催化劑驅動過程的唯一方法。過濾和色譜也對催化過程可以改進。

施拉德說：「這對於潔凈室程序、納米加工和微處理器的形成過程也很重要，微處理器是在硅晶片襯底上製作的，並在其上放置電路的薄玻璃層。了解硅晶片表面的化學結構、不同金屬層如何粘在表面上面以及金屬層是如何形成是很有必要的。」

文章來自sciencedaily網站，原文題目為Chemical topology of silica can influence the effectiveness of many chemical processes that use it，由材料科技在線匯總整理。

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