摘要：

二氧化硅（通常叫做玻璃）是用于无数工业过程的多功能材料，能用于催化、过滤、色谱以及纳米加工。虽然玻璃在实验室和洁净室中无处不在，但对于二氧化硅分子与水的表面相互作用，人们知之甚少。

加州大学圣巴巴拉分校化学教授韩松木在最近发表在美国国家科学院学报上的一篇论文上说：“水与表面相互作用的方式会影响许多过程。”她解释说，在许多情况下，科学家和工程师直观地看到了二氧化硅和水之间的潜在相互作用，并根据经验证据设计了设备、实验和过程。但她对化学拓扑结构的机械理解。硅表面改变表面水的结构可以导致这些过程的基本原理设计。

对于许多人来说，玻璃就是玻璃，让人想起窗户或餐具等清晰、坚硬、光滑、均匀的外观材料。然而，在更深的层面上，“玻璃”实际上是一种更复杂的材料，它不同地方的化学性质也不同，分布范围很广。

“玻璃是我们都熟悉的材料，但许多人可能不知道的是，这就是我们所说的化学异质表面，”研究生研究员Alex Schrader（PNAS论文的主要作者）说。

他说，玻璃表面有两种不同类型的化学基团：硅烷醇（SiOH）基团通常是亲水性的（喜欢水的），而硅氧烷（SiOHSi）基团通常具有斥水性。Shrader说，“我们发现，表面上的这两种化学物质极大地影响了水与玻璃表面的相互作用，从而影响了水在玻璃表面上的宏观现象，比如水在玻璃上扩散的方式。”

例如，在某些催化过程中，以白色粉末的形式使用二氧化硅（又称二氧化硅或SiO2作为载体，将催化剂附着在粉末颗粒上，从而粉末颗粒便可将催化剂带入反应过程中。尽管二氧化硅不直接参与催化，当化学基团以亲水或疏水为主时，SiO 2颗粒的表面分子组成会影响其有效性。研究人员发现，如果二氧化硅表面上具有亲水硅烷醇基团，它就会吸附水分子，从而形成水分子的“软屏障”，反应物以某种方式穿透“软屏障”以进行反应过程。

UCSB化学工程学教授Jacob Israelachvili表示：“由于动力学原因，水分子必须交换位置，这就是为什么它很复杂，表面测力仪（SFA）测量了水与二氧化硅表面之间的相互作用力。必须打破一种屏障，才能形成另一种屏障，这可能需要时间。”

不仅仅是硅烷醇基团会影响水对二氧化硅表面的附着力。正如Han实验室的Overhauser动态核极化仪所测量的那样，随着二氧化硅表面的化学成分从疏水性变为亲水性，研究人员对表面水的扩散系数非线性下降感到困惑。随后UCSB化学工程教授Scott Shell和他的研究生Jacob Monroe解决了这个谜团，他用计算机进行模拟，揭示了硅烷醇和硅氧烷基团在表面上的相对排列对水粘附性的影响。

韩说：“如果你拥有相同比例的亲水和亲水团，只要在空间上重新排列它们，就可以显着改变水的流动性”。

  硅石 – 水分子之间的相互作用并不是改进催化剂驱动过程的唯一方法。过滤和色谱也对催化过程可以改进。

施拉德说：“这对于洁净室程序、纳米加工和微处理器的形成过程也很重要，微处理器是在硅晶片衬底上制作的，并在其上放置电路的薄玻璃层。了解硅晶片表面的化学结构、不同金属层如何粘在表面上面以及金属层是如何形成是很有必要的。”

文章来自sciencedaily网站