Impact of hydrophobicity and confinement on the structure and dynamics of water at interfaces
Creators: name: Zysk, Frederik Maria
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2023

description: Wasser spielt in fast allen Lebenswissenschaften eine wichtige Rolle. Es ist entweder direkt an biologischen, chemischen und industriellen Prozessen beteiligt oder indirekt als Lösungsmittel und Baustein des Lebens. Wie sich Hydrophobie und Einschluss auf die Eigenschaften von Wasser auswirken, ist von großer Bedeutung für Anwendungen wie Beschichtungen, Oberflächenbehandlung, Membranen, Barrieren und Katalyse. An der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft habe ich eine Korrelation zwischen der Abnahme der Librationsbewegung des Wassers bei Zeiten &lt; 0,1 fs in den verschiedenen Schichten und der H-Bindungsstärke des Wassers gefunden. Wir können die H-Bindungsstärke aus experimentell messbaren Werten als Umorientierungsdynamik zweiter Ordnung vorhersagen. Ich habe idealisierte Siliziumoxidporen von 0,3 nm bis 1,4 nm Größe mit hydrophober (Trifluormethyl/Tetramethylsilan) und hydrophiler (Hydroxyl) Funktionalisierung mit flüssigem Wasser, Wasserdampf und Sauerstoffgas als Medien modelliert und mit semi-empirischen Methoden berechnet. Mit zunehmender Porengröße vergrößert sich der durch die Gibbs'sche Teilungsfläche gemessene Abstand zwischen Oberfläche und Wasser und die Wasserdiffusion steigt an. In hydrophobem Einschluss ist der Abstand zwischen Porenwand und Wasser im Allgemeinen größer und die Diffusion ist höher als in hydrophilen Poren ähnlicher Größe. In einer neuartigen Analyse zeige ich, dass die Korrelation zwischen dem Selbstdiffusionskoeffizienten und dem Dipolwinkel relativ unabhängig von der Hydrophobie ist, aber die Prävalenz der Dipolwinkelorientierung stark divergiert, was zu einer eingehenden Analyse der wichtigsten molekularen Orientierungen des Wassers an den verschiedenen Oberflächen führt.
description: Water is an important part in nearly all life sciences. It is either directly involved in biological, chemical and industrial processes or indirectly as a solvent and building block of life. How hydrophobicity and confinement impact the properties of water is of high importance for applications like coating, surface treatment, membranes, barriers and catalysis among many others. At the water/air interface I found a correlation between the decay in librational motion of water at times &lt; 0.1 fs in the different layers and the H-bond strength of water. We can predict the H-bond strength from experimentally measurable values as second order reorientation dynamics. I modeled idealized silica oxide pores ranging from 0.3 nm to 1.4 nm with hydrophobic (trifluoromethyl/tetramethylsilan) and hydrophilic (hydroxyl) functionalization at the pore walls with liquid water, water vapor and oxygen gas as media and used semi-empirical molecular dynamics. When increasing pore size, surface-water distance measured by Gibbs dividing surface increases as does water diffusion. In hydrophobic confinement the distance between the pore wall and water is generally larger and diffusion faster than in hydrophilic pores. In a novel analysis I show that the self-diffusion coefficient vs dipole angle correlation is relatively independent of hydrophobicity, but the prevalence of the dipole angle orientation is diverging strongly, leading to an in depth analysis of most prominent molecular orientations of water at the different surfaces.