在最近发表在《纳米尺度》杂志上的一项研究中，金泽大学和AGC公司的研究人员使用三维原子力显微镜研究了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应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未得到很好的理解。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，这影响了晶体的化学反应性。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提供对其表面二维形貌的见解。现在，由金泽大学NanoLSI的Keisuke Miyazawa领导的一个研究小组已经开发出三维(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。
研究小组首先观察了蓝宝石和α-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，即3D原子力显微镜(3D- afm)。氧化物晶体通常有羟基(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泡在水中时的羟基及其水合结构。
他们发现蓝宝石上的水化层是不均匀的，因为表面OH基团的局部分布不均匀。另一方面，由于α-石英表面羟基原子的扁平分布，使得α-石英的水化层较为均匀。
当随后测量这些氧化物对水的相互作用力时，发现蓝宝石中需要比α-石英更大的力来破坏水-晶键。我们还发现，在氧化物靠近羟基的区域，这种亲和力要高得多。
本研究表明，氧化物的水合结构取决于OH基团的位置和密度，以及OH基团的氢键(用于与水结合的化学键)强度。更重要的是，这里成功地展示了3D-AFM可以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。
研究人员总结说:“这项研究有助于3D-AFM在探索各种表面的原子尺度水化结构方面的应用，因此，可以应用于广泛的固液界面研究领域。”
3D原子力显微镜(3D-AFM): AFM是一种先进的显微镜形式，其中尖锐的尖端安装在悬臂上并跟随分子表面。当它这样做时，尖端会根据它的运动发出信号，这有助于识别分子的地形。然而，要了解分子的深层结构，就需要对其表面进行三维观察。因此，研究人员在这项研究中使用了一种更先进的AFM技术，以3D的方式捕获了水合晶体的结构。
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