水合很重要揭示水和氧化物晶体的相互作用模式

在最近发表在《Nanoscale》杂志上的一项研究中，金泽大学和AGCInc.的研究人员使用三维原子力显微镜来研究常见氧化物晶体的水合形式和结构。

虽然蓝宝石和石英是广泛用于工业应用的氧化物晶体，但这些材料的原子尺度结构尚不清楚。蓝宝石和石英的主要化学成分分别是氧化铝和二氧化硅。这些成分对水有很高的亲和力，会影响晶体的化学反应活性。因此，全面了解这些氧化物的水结合特性对于进一步的创新应用非常重要。

迄今为止，传统的显微方法只能洞察其表面的二维形貌。现在，由金泽大学NanoLSI的KeisukeMiyazawa领导的研究小组开发了三维(3D)显微镜技术，用于详细研究这些材料表面与水的相互作用。

该团队首先观察蓝宝石和 -石英在水中的表面结构及其水化结构。为此，他们使用了一种先进的显微镜技术，称为3D原子力显微镜(3D-AFM)。氧化物晶体通常具有羟基(OH)基团，这是主要的 水结合 分子，与氧化物紧密相连。因此，研究小组研究了两种晶体浸入水中时的羟基及其水合结构。

他们发现，由于表面羟基基团的局部分布不均匀，蓝宝石上的水化层并不均匀。另一方面，由于表面OH基团的原子分布均匀， -石英上的水化层是均匀的。

当随后测量这些氧化物与水的相互作用力时，发现需要比 -石英更大的力来破坏蓝宝石中的水-晶体键。还发现，在氧化物靠近OH基团的区域，这种亲和力要高得多。

这项研究表明，氧化物的水合结构除了取决于OH基团的氢键(用于与水结合的化学键)强度之外，还取决于OH基团的位置和密度。此外，这里成功表明3D-AFM可用于揭示水与多个表面的相互作用，这是更好地理解固液相互作用的潜在途径。

研究人员总结道： 这项研究有助于3D-AFM在探索各种表面上的原子级水合结构中的应用，从而促进广泛的固液界面研究领域。

3D原子力显微镜(3D-AFM)：AFM是显微镜的一种高级形式，其中锋利的尖端安装在悬臂上并跟随分子表面。这样做时，尖端会根据其运动发出信号，这有助于识别分子的形貌。然而，了解分子的深层结构需要对其表面进行三维概览。因此，研究人员在这项研究中使用了更先进版本的AFM，它可以捕获3D水合晶体的结构。