Water structure and dynamics through functionalized surfaces

Abstract

Neste trabalho propomos uma investigação através de simulações de dinâmica molecular da água em contato com superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas, tanto dentro de nanotubos funcionalizados quanto em membranas bi-dimensionais para dessalinização. No caso da água em contato com superfícies hidrofóbicas e hidrofílicas de nanotubos nós encontramos uma quebra na relação de Stokes-Einstein para a difusão e a viscosidade da água. Essa quebra ocorre para os menores nanotubos − em que pelo menos duas camadas de água formam-se, condição para deslizamento de camadas necessária para o cálculo da viscosidade. O mecanismo por trás deste comportamento é ditado pela estrutura da água confinada. Esse resultado indica que algumas das características observadas para a água dentro de nanotubos hidrofóbicos, como nanotubos de carbono na natureza, são únicas. Encontramos uma grande dependência da dinâmica e estrutura da água confinada com as características polares do nanotubo, principalmente para nanotubos com diâmetros menores que 1 nm. Ao variarmos a temperatura do sistema, observamos ainda uma forte dependência da estruturação das moléculas de água com a temperatura, a ponto de apresentar transições entre estados mais e menos ocupados Nossos resultados de dinâmica molecular também mostram que membranas contendo nanoporos com sítios hidrofílicos entre regiões hidrofóbicas podem apresentar grande fluxo de água e reduzido transporte de íons, o que torna esses materiais excelentes candidatos para sistemas de dessalinização e limpeza de metais pesados. Ao acrescentarmos um químico floculante (cloreto de ferro) à água salgada, encontramos resultados ainda melhores para a rejeição de sal pelas membranas nanoporosas. Todos esses resultados demonstram a importância do estudo das propriedades hidrofóbicas e hidrofílicas em interfaces aquosas. Em todos os casos, encontramos uma dependência inerente das propriedades de transporte da água com a característica polar da superfície de contato.

In this work we have proposed an investigation through molecular dynamics (MD) simulations of the water behavior at hydrophobic and hydrophilic surfaces in both functionalyzed nanotubes and two-dimensional nanpores. In the case of water at hydrophobic and hydrophilic nanotube surfaces, we have found a breakdown of the Stokes-Einstein relation for diffusion and viscosity of water confined in narrow hydrophobic nanopores. The mechanism underlying this behavior is dictated by the structure of water under confinement. This result indicates that some of the features observed for water inside hydrophobic carbon nanotubes cannot be observed in other nanopores. We have also found an important dependence of the water dynamics with the polar character of the nanotube, mostly for small diameters. By varying the temperature, both the dynamics and the water structuration are affected, presenting transitions between dense-packed and low-density states. Our results also shows that nanoporous membranes, with hydrophilic sites sandwiched between hydrophobic regions, can present an important flux of water molecules and reduced ion transportation, making these structures promising for desalination processes. By adding a flocculant ingredient (ferric chloride) to the salt water, we found even larger ion rejection rates. All the results point out the importance of studying hydrophilic and hydrophobic interfaces for water transport. In all the cases, we have found an ubiquitous dependence of water dynamic properties on the surface polarity.