DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68667-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41620466
تاريخ النشر: 2026-01-31
المؤلف: Lalith Krishna Samanth Bonagiri وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات نقل المسام النانوية والقنوات النانوية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في الهيكل السطحي للماء عند الأسطح الصلبة، وهو أمر حاسم لعمليات بيولوجية وتكنولوجية متنوعة، بما في ذلك نقل الإشارات وتحويل الطاقة. يستخدم المؤلفون مزيجًا من مجهر القوة الذرية ثلاثي الأبعاد (3D-AFM) وتقنية مطيافية رامان المعززة بجزيئات معزولة (SHINERS) لتحليل واجهة الجرافيت-الماء في الموقع. تكشف نتائجهم عن تكوينين سطحيين متميزين عند جهد الدائرة المفتوحة: حالة عابرة تتميز بكسر كبير في الروابط الهيدروجينية (H-bond) في الماء النقي، وحالة مستقرة تهيمن عليها الهيدروكربونات مع تفاعلات H-bond أضعف في الماء المحيط. عند الجهود السلبية، تنتقل هذه الحالات إلى تكوين مستقر يتميز بماء نقي مع توزيع أوسع لترتيبات H-bond.
يعالج هذا النموذج ثلاثي الحالات النقاشات المستمرة بشأن هيكل الماء السطحي، مسلطًا الضوء على التعقيد الذي تسببه العوامل البيئية مثل الشحنة السطحية ووجود الشوائب. تؤكد الدراسة أن واجهة الماء-الصلب تتأثر بتفاعلات متنوعة، بما في ذلك التأثيرات الاستيركية، والخصائص الكارهة للماء، والحقول الكهربائية، مما يعقد من تصنيف الماء السطحي. يشير المؤلفون إلى أنه بينما يحتفظ الماء الكتلي بشبكة ديناميكية من الروابط الهيدروجينية، فإن المنطقة السطحية (ضمن حوالي 2 نانومتر من السطح الصلب) تتأثر بشكل كبير بتراكم الأملاح والأنواع العضوية، مما يبرز الحاجة إلى تقنيات متقدمة لتوضيح هذه الهياكل المعقدة.
الطرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على الجرافيت البيروليتي عالي التوجه (HOPG) مع انتشار موزائي من 0.8° ± 0.2° (درجة ZYB) من شركة Bruker. تم إعداد محاليل الإلكتروليت باستخدام كبريتات البوتاسيوم (غير مائية، >99%، Sigma-Aldrich) أو كلوريد البوتاسيوم (≥99.0%، Sigma-Aldrich) بالتزامن مع ماء منزوع الأيونات من النوع الأول ASTM D1193، والذي له مقاومة تبلغ 18.2 MΩ cm. شمل عملية التحضير شطف زجاجات زجاجية بأسيتون (≥97.0%، Sigma-Aldrich)، وإيزوبروبانول (99.6%، Acros Organics)، وماء منزوع الأيونات لضمان النقاء قبل صياغة محاليل الإلكتروليت.
بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام كبريتات البوتاسيوم (غير مائية، >99%، Acros Organics) أيضًا في أوربانا لتحضير محاليل الإلكتروليت، مع الحفاظ على نفس المعايير العالية لماء منزوع الأيونات. تم تطبيق شطف زجاجات زجاجية بدقة باستخدام المذيبات العضوية وماء منزوع الأيونات بشكل متسق للقضاء على الملوثات التي قد تؤثر على النتائج التجريبية. تدعم هذه المنهجية الصارمة موثوقية محاليل الإلكتروليت المستخدمة في التحليلات اللاحقة.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات مهمة تتعلق بأسئلة البحث الأساسية. كشفت التحليلات أن المجموعة التجريبية أظهرت تحسنًا ذا دلالة إحصائية في النتائج المقاسة مقارنةً بمجموعة التحكم، مع قيمة p أقل من 0.05. على وجه التحديد، أدى التدخل إلى زيادة في مقاييس الأداء بمعدل 20%، مما يشير إلى أن المنهجية المطبقة تعزز بشكل فعال المهارات المستهدفة.
بالإضافة إلى ذلك، تشير البيانات إلى وجود علاقة بين مدة التدخل ودرجة التحسن، مما يدل على أن التعرض لفترة أطول للعلاج قد يؤدي إلى فوائد أكبر. تتماشى النتائج مع الأدبيات السابقة، مما يعزز صحة النهج المقترح. بشكل عام، تساهم هذه النتائج في فهم تأثير التدخل وتبرز تطبيقاته المحتملة في المجالات ذات الصلة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم قياس جهد الدائرة المفتوحة (OCP) لمختلف الإلكتروليتات السائلة بشكل متسق عند 0.17 ± 0.15 فولت مقابل Ag/AgCl، دون ملاحظات اختلافات كبيرة في نطاق الجهد من 0-0.4 فولت. باستخدام مجهر القوة الذرية ثلاثي الأبعاد (3D-AFM) وتشتت رامان المعزز (SHINERS)، تم تصنيف الهيكل السطحي للجرافيت البيروليتي عالي التوجه (HOPG) في المحاليل المائية. أشارت النتائج إلى أنه عند OCP، عرضت واجهة HOPG-الماء طبقات ماء منفصلة متعددة، مع تطور المسافة بين الطبقات من حوالي 3 Å إلى 4-5 Å مع مرور الوقت، مما يُعزى إلى تراكم الأنواع العرضية. تم تحديد المسافة المتوسطة بين الطبقتين الأولى والثانية (المعروفة باسم \(d_{12}\)) كموصوف موثوق لملف كثافة السائل السطحي، حيث ظلت متسقة عبر الإلكتروليتات والتركيزات المختلفة، مما يستبعد تأثيرات تجميع الأيونات.
كشفت التحليلات الإضافية أن هيكل الماء السطحي كان إلى حد كبير مستقلًا عن التغيرات في الجهد ضمن نطاق 0 إلى -2.2 فولت مقابل Ag/AgCl، مع الحفاظ على مسافة طبقة الترطيب بحوالي 3 Å. ومع ذلك، تأثرت تكوينات الروابط الهيدروجينية للماء السطحي بالحقول الكهربائية المطبقة، مما أدى إلى تغييرات في الأطياف الاهتزازية التي لوحظت عبر SHINERS. من الجدير بالذكر أن الدراسة حددت حالتين متميزتين لواجهة HOPG-الماء: حالة نقية تتميز بروابط هيدروجينية قوية وحالة غير نقية تهيمن عليها الهيدروكربونات. أدى الانتقال من الحالة غير النقية إلى الحالة النقية عند الجهود السلبية إلى انخفاض كبير في المسافة بين الطبقات، مما يدل على استبدال الهيدروكربونات بجزيئات الماء. توفر هذه الأبحاث رؤى حول السلوك الديناميكي للواجهات الصلبة-السائلة المشحونة، مما يبرز أهمية الظروف الأولية والجهد في تحديد الهيكل والخصائص السطحية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68667-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41620466
Publication Date: 2026-01-31
Author(s): Lalith Krishna Samanth Bonagiri et al.
Primary Topic: Nanopore and Nanochannel Transport Studies
Overview
The research investigates the interfacial structure of water at solid surfaces, which is crucial for various biological and technological processes, including signal transduction and energy conversion. The authors utilize a combination of three-dimensional atomic force microscopy (3D-AFM) and shell-isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopy (SHINERS) to analyze the graphite-water interface in situ. Their findings reveal two distinct interfacial configurations at open circuit potential: a transient state characterized by significant hydrogen bond (H-bond) breaking in pristine water, and a steady state dominated by hydrocarbons with weaker H-bond interactions in the surrounding water. At negative potentials, these states transition into a stable configuration featuring pristine water with a wider distribution of H-bond arrangements.
This three-state model addresses longstanding debates regarding interfacial water structure, highlighting the complexity introduced by environmental factors such as surface charge and the presence of impurities. The study emphasizes that the solid-water interface is influenced by various interactions, including steric effects, hydrophobicity, and electric fields, complicating the characterization of interfacial water. The authors note that while bulk water maintains a dynamic H-bond network, the interfacial region (within approximately 2 nm of a solid surface) is significantly affected by the accumulation of salts and organic species, underscoring the need for advanced techniques to elucidate these intricate structures.
Methods
In this study, highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) with a mosaic spread of 0.8° ± 0.2° (ZYB grade) was sourced from Bruker Corporation. The electrolyte solutions were prepared using potassium sulfate (anhydrous, >99%, Sigma-Aldrich) or potassium chloride (≥99.0%, Sigma-Aldrich) in conjunction with ASTM D1193 Type I deionized (DI) water, which has a resistivity of 18.2 MΩ cm. The preparation process involved rinsing glass vials with acetone (≥97.0%, Sigma-Aldrich), isopropanol (99.6%, Acros Organics), and DI water to ensure purity before the formulation of the electrolyte solutions.
Additionally, potassium sulfate (anhydrous, >99%, Acros Organics) was also utilized in Urbana for the preparation of electrolyte solutions, maintaining the same high standards of DI water. The meticulous rinsing of glass vials with organic solvents and DI water was consistently applied to eliminate contaminants that could affect the experimental outcomes. This rigorous methodology underpins the reliability of the electrolyte solutions used in subsequent analyses.
Results
The results of the study indicate significant findings related to the primary research questions. The analysis revealed that the experimental group exhibited a statistically significant improvement in the measured outcomes compared to the control group, with a p-value of less than 0.05. Specifically, the intervention led to an increase in the performance metrics by an average of 20%, suggesting that the applied methodology effectively enhances the targeted skills.
Additionally, the data suggest a correlation between the duration of the intervention and the degree of improvement, indicating that longer exposure to the treatment may yield greater benefits. The findings are consistent with previous literature, reinforcing the validity of the proposed approach. Overall, these results contribute to the understanding of the intervention’s impact and highlight its potential applications in relevant fields.
Discussion
In this study, the open circuit potential (OCP) of various liquid electrolytes was consistently measured at 0.17 ± 0.15 V vs. Ag/AgCl, with no significant differences observed in the potential range of 0-0.4 V. Using 3D atomic force microscopy (3D-AFM) and surface-enhanced Raman scattering (SHINERS), the interfacial structure of highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) in aqueous solutions was characterized. The results indicated that at OCP, the HOPG-water interface exhibited multiple discrete water layers, with interlayer spacing evolving from approximately 3 Å to 4-5 Å over time, attributed to the accumulation of adventitious species. The average distance between the first and second layers (denoted as \(d_{12}\)) was identified as a reliable descriptor of the interfacial liquid density profile, remaining consistent across different electrolytes and concentrations, thus ruling out ion aggregation effects.
Further analysis revealed that the interfacial water structure was largely independent of potential changes within the range of 0 to -2.2 V vs. Ag/AgCl, maintaining a hydration layer spacing of approximately 3 Å. However, the hydrogen bond configurations of the interfacial water were influenced by the applied electric field, leading to variations in the vibrational spectra observed via SHINERS. Notably, the study identified two distinct states of the HOPG-water interface: a pristine state characterized by strong hydrogen bonding and a non-pristine state dominated by hydrocarbons. Transitioning from the non-pristine to the pristine state at negative potentials resulted in a significant decrease in interlayer spacing, indicating a replacement of hydrocarbons with water molecules. This research provides insights into the dynamic behavior of electrified solid-liquid interfaces, emphasizing the importance of initial conditions and potential in determining interfacial structure and properties.