В частности, для этого исследования, которое было опубликовано в Японском журнале прикладной физики, исследователи из Токийского университета науки в сотрудничестве с исследователями из отдела научных решений Mizuho Information & Research Institute, Inc., сфокусирован на взаимодействии между молекулами воды и графеном, материалом на основе углерода с нейтральным зарядом, который можно сделать атомарно плоским. «Поверхностная вода на углеродных наноматериалах, таких как графен, привлекла большое внимание, потому что свойства этих материалов делают их идеальными для изучения микроскопической структуры поверхностной воды», – объясняет профессор Ямамото. В предыдущих исследованиях уже отмечалось, что молекулы воды на графене имеют тенденцию образовывать стабильные многоугольные (2D) формы как в поверхностной воде, так и в «свободной» воде (молекулы воды вдали от поверхности материала). Более того, было отмечено, что вероятность обнаружения этих структур в поверхностных водах резко отличается от их в свободной воде.
Однако необходимо установить различия между поверхностной и свободной водой, а переход между ними трудно проанализировать с помощью обычных методов моделирования.
Учитывая эту ситуацию, исследовательская группа решила объединить метод, заимствованный из науки о данных, называемый стойкой гомологией (PH), с моделированием молекулярной динамики.
PH позволяет характеризовать структуры данных, в том числе содержащиеся в изображениях / графике, но его также можно использовать в материаловедении для поиска стабильных трехмерных структур между молекулами. «Наше исследование представляет собой первый раз, когда PH был использован для структурного анализа молекул воды», – отмечает профессор Ямамото. С помощью этой стратегии исследователи смогли получить лучшее представление о том, что происходит с молекулами поверхностной воды, когда сверху добавляются новые слои воды.
Когда один слой молекул воды укладывается поверх графена, молекулы воды выстраиваются так, что их атомы водорода образуют стабильные многоугольные структуры с разным числом сторон через водородные связи.
Это «фиксирует» ориентацию и относительное положение этих молекул воды первого слоя, которые теперь формируют формы, параллельные слою графена. Если добавить второй слой молекул воды, молекулы из первого и второго слоев образуют трехмерные структуры, называемые тетраэдрами, которые напоминают пирамиду, но с треугольным основанием. Любопытно, что эти тетраэдры в основном направлены вниз (в сторону слоя графена), потому что такая ориентация «энергетически выгодна."Другими словами, порядок от первого слоя переводится на второй, чтобы сформировать эти трехмерные структуры с последовательной ориентацией.
Однако по мере добавления третьего и более слоев образующиеся тетраэдры не обязательно указывают вниз, а вместо этого кажутся свободными, чтобы указывать в любом направлении под действием окружающих сил. «Эти результаты подтверждают, что переход между поверхностной и свободной водой происходит только в трех слоях воды», – поясняет профессор Ямамото.
Исследователи предоставили видео одной из своих симуляций, где эти 2D и 3D структуры выделены, что позволяет понять полную картину. «Наше исследование является хорошим примером применения современных методов анализа данных для получения новых и важных идей», – добавляет профессор Ямамото.
Более того, эти предсказания нетрудно измерить экспериментально на графене с помощью методов атомно-силовой микроскопии, которые, без сомнения, подтвердят существование этих структур и дополнительно подтвердят комбинацию используемых методов. Профессор Ямамото заключает: «Хотя графен – довольно простая поверхность, и мы можем ожидать более сложных водных структур на других типах материалов, наше исследование дает отправную точку для обсуждения более реалистичных поверхностных эффектов, и мы ожидаем, что оно приведет к контролю над свойства поверхности."