Dinamik air berhampiran permukaan pepejal memainkan peranan kritikal dalam pelbagai teknologi, termasuk penapisan air dan pemurnian, kromatografi dan pemangkinan. Satu cara yang terkenal untuk mempengaruhi dinamika ini, yang seterusnya memberi kesan bagaimana air "wets" permukaan, adalah untuk mengubah hidrofobisiti permukaan, atau sejauh mana permukaan menahan air. Pengubahsuaian sedemikian boleh dicapai dengan mengubah liputan purata, atau ketumpatan permukaan, kumpulan kimia hidrofobik pada antara muka.
Kini, dalam sebuah kertas yang diterbitkan dalam Prosiding Akademi Sains Kebangsaan, pengarang utama Jacob Monroe, Ph.D tahun kelima. pelajar di makmal kimia jurutera kimia UC Santa Barbara M. Scott Shell, memberikan perspektif baru mengenai faktor-faktor yang mengendalikan dinamika ini. Dengan menggunakan simulasi komputer untuk merancang permukaan, penyelidik dapat mengenal pasti cara yang lebih terperinci di mana hidrofobisiti permukaan mempengaruhi dinamik air di antara muka. Penemuan boleh mempunyai ramuan penting untuk membran, terutama yang digunakan dalam penapisan air.
"Apa yang kita lihat ialah mengubah corak sahaja - pengedaran kumpulan hidrofobik dan hidrofilik, tanpa mengubah ketumpatan permukaan purata - menghasilkan kesan yang cukup besar pada antara muka," kata Monroe. "Itu penting untuk mengetahui jika saya mahu air mengalir melalui membran secara optimum."
Monroe dan rakan-rakannya mendapati bahawa jika mereka menguruskan semua kumpulan hidrofobik bersama-sama dan membuat permukaan sangat kemas, air bergerak lebih cepat; jika mereka menyebarkannya semuanya, air itu melambatkan. "Jika membran adalah untuk penapisan air, anda mungkin mahu air bergerak dengan cepat merentasnya," kata Monroe, "tetapi anda mungkin juga mahu air itu duduk di permukaan untuk membantu menangkis zarah-zarah yang melekat padanya dan menjejaskan membran. "
Kumpulan hidrofobik dan hidrofilik sering terdapat di beberapa ketumpatan dalam banyak jenis bahan, dan ketika kadar di mana air bergerak berhampiran permukaan bukanlah satu-satunya faktor yang mempengaruhi bagaimana membran berfungsi, Monroe menyarankan bahawa memahami dinamika itu adalah satu langkah ke arah merancang membran yang lebih cekap. Dan itu, pada gilirannya, berkaitan dengan kos tenaga penapisan dan bagaimana mudah pencemaran dapat melekat pada dinding membran dan, dengan itu, dikeluarkan dari air.
Para penyelidik belum menggunakan maklumat tentang corak permukaan untuk merancang bahan untuk aplikasi tertentu, walaupun mereka merancang. Tetapi penemuan mereka tentang corak memegang perkaitan segera untuk menafsirkan eksperimen, kerana ini bermakna menilai kepadatan permukaan kumpulan hidrofobik sahaja tidak mencukupi untuk mencirikan bahan tersebut.
Monroe dan Shell menemui kesan pengedaran dengan menggabungkan simulasi dinamik molekul dengan pengoptimuman algoritma genetik, yang merupakan satu algoritma yang meniru evolusi semulajadi - di sini digunakan untuk mengenal pasti corak permukaan yang sama ada meningkatkan atau mengurangkan mobiliti permukaan air.
"Ia seperti program pembiakan," jelas Monroe. "Sekiranya anda mempunyai kolam anjing dan anda mahu anjing jenis tertentu, katakan yang lebih besar atau mempunyai ekor yang lebih pendek atau kepala yang lebih besar, anda akan membiak anjing yang mempunyai ciri-ciri itu. Kami melakukan perkara yang sama pada komputer, tetapi matlamat kami adalah untuk merekabentuk permukaan yang mempunyai ciri-ciri khusus yang membolehkannya melakukan apa yang kami mahu. Anda memerlukan metrik kecergasan, dan kemudian anda boleh menyesuaikan algoritma genetik untuk mengoptimumkan ciri-ciri prestasi tertentu, sebagai contoh, untuk bergerak dengan pantas merentasi membran atau untuk menyerap permukaan. Dalam keadaan lain, ia boleh menjadi bagaimana air cepat bergerak melalui satu liang di permukaan. Dan di sisi lain, kita dapat melihat sama ada satu spesis pencemar bertangkai dan yang lain tidak.
"Jadi, kita menjalankan simulasi molekul dinamik untuk menilai sifat-sifat tersebut," katanya. "Kami memperuntukkan tahap kecergasan kepada setiap individu, dan kemudian kita hibridkan individu paling sesuai secara spasial dan memacu sistem ke arah sifat yang kita mahu mereka ada."
Monroe percaya bahawa kaedah corak permukaan sub-nano adalah parameter reka bentuk yang penting untuk antara muka pepejal kejutan kejuruteraan untuk pelbagai aplikasi, dan ia boleh menyediakan strategi luas untuk bahan kejuruteraan yang direka dinamik air-hidrasi.
No comments:
Post a Comment