A topologia química da sílica pode influenciar a eficácia de muitos processos químicos que a utilizam

UFJF/SEMIC 2018 – A Contribuição das Nascentes nos Processos de Desnudação Geoquímica (Julho 2019).

Anonim

Mais conhecida como vidro, a sílica é um material versátil usado em inúmeros processos industriais, desde catálise e filtração até cromatografia e nanofabricação. No entanto, apesar de sua onipresença em laboratórios e salas limpas, surpreendentemente pouco se sabe sobre as interações da superfície da sílica com a água em um nível molecular.

"A forma como a água interage com uma superfície afeta muitos processos", disse Songi Han, professor de química da UC Santa Barbara e autor de um recente artigo na revista Proceedings of National Academy of Sciences. Em muitos casos, ela explicou, cientistas e engenheiros intuem as potenciais interações entre sílica e água e projetam equipamentos, experimentos e processos baseados em evidências empíricas. Mas uma compreensão mecanicista de como a topologia química das superfícies de sílica altera a estrutura da água na superfície poderia levar a um projeto racional desses processos.

Para muitas pessoas, o vidro é de vidro, e traz à mente o material claro, duro, liso e homogêneo que usamos para janelas ou utensílios de mesa. No entanto, em um nível mais profundo, o que chamamos de "vidro" é, na verdade, um material mais complexo que pode conter diferentes propriedades químicas com distribuições amplas.

"O vidro é um material com o qual todos estamos familiarizados, mas o que muitas pessoas provavelmente não sabem é que é o que chamaríamos de uma superfície quimicamente heterogênea", disse o pesquisador Alex Schrader, principal autor do artigo da PNAS.

Existem dois tipos diferentes de grupos químicos que compreendem superfícies de vidro, ele disse: grupos silanol (SiOH) que são geralmente hidrofílicos (amantes da água), ou grupos siloxano (SiOHSi) que são tipicamente repelentes de água. "O que mostramos", disse Shrader, "é que a maneira como você organiza esses dois tipos de produtos químicos na superfície afeta muito a forma como a água interage com a superfície, o que impacta fenômenos físicos observáveis, como a água se espalha vidro."

Em certos processos, como a catálise, por exemplo, a sílica (vulgo dióxido de silício ou SiO2) na forma de um pó esbranquiçado é usada como suporte - o catalisador é preso aos grãos de pó, que por sua vez o transportam para o processo. Enquanto a sílica não participa diretamente da catálise, a composição molecular da superfície dos grãos de sílica pode influenciar sua eficácia se o grupo químico for predominantemente hidrofílico ou hidrofóbico. Os pesquisadores descobriram que, se a sílica tende a ter grupos silílicos hidrofílicos em sua superfície, ela atrai moléculas de água, formando uma "barreira macia" de moléculas de água que os reagentes teriam que superar para penetrar de alguma forma para prosseguir com o processo ou reação desejada..

"Há sempre dinâmicas e as moléculas de água devem trocar suas posições, e é por isso que é complicado", disse o professor de engenharia química da UCSB, Jacob Israelachvili, cujo aparato de forças de superfície mede as forças de interação entre superfícies de sílica através da água. "Você tem que quebrar algum vínculo para que esse outro vínculo se forme. E isso pode levar tempo."

Não é apenas a mera presença dos grupos silanol que podem afetar a adesão da água às superfícies de sílica. Os pesquisadores ficaram intrigados com uma queda não linear na difusividade da água superficial - medida pelo aparato dinâmico de polarização nuclear da Overhauser no laboratório Han - à medida que a composição química da superfície da sílica passava de hidrofóbica para hidrofílica. Esse mistério foi posteriormente resolvido pelo professor de engenharia química da UCSB Scott Shell e seu aluno de pós-graduação Jacob Monroe, cujas simulações de computador revelaram que o arranjo relativo dos grupos de silanol e siloxano na superfície também teve influência na adesão da água.

"Se você tem a mesma fração de grupos que gostam de água e grupos de não gostar de água, apenas rearranjando-os espacialmente, você pode variar significativamente a mobilidade da água", disse Han.

Os processos impulsionados por catalisadores não são a única coisa que pode ser melhorada com uma compreensão molecular da adesão de sílica-água. Filtração e cromatografia também podem ser melhoradas.

"Também é importante em procedimentos de sala limpa, nanofabricação e formação de microprocessadores", disse Schrader, que apontou que os microprocessadores são fabricados em substratos de bolacha de silício com uma fina camada de vidro, sobre a qual são colocados circuitos. "É importante entender como a superfície real do wafer de silício parece em um nível químico e como essas diferentes camadas de metal que eles depositam nele aderem a ele e como elas aparecem."

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