[논문 리뷰] Water's interfacial hydrogen bonding structure reveals the effective strength of surface-water interactions

Sucheol Shin, Adam P. Willard|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 31.

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies참고 문헌 43인용 수 59

한 줄 요약

이 논문은 수분의 계면 수소결합 구조에서 유도된 표면 친수성의 새로운 측정법인 '내재적 수용성'을 소개한다. 전체 원자 분자 동역학 시뮬레이션과 평균장 모델을 사용하여, 수분의 계면 구조는 임계 표면-수분 상호작용 강도 이하에서는 균일하고 친유성과 유사한 상태를 유지하지만, 그 이상이 되면 비균일해짐을 보여준다. 주요 기여는 분자 정렬 분포와 계면-수분 상호작용의 에너적 기여 사이의 정량적 연관성을 규명한 것으로, 이는 수소결합 네트워크에 특별히 영향을 주는 것이다.

ABSTRACT

The interactions of a hydrophilic surface with water can significantly influence the characteristics of the liquid water interface. In this manuscript, we explore this influence by studying the molecular structure of liquid water at a disordered surface with tunable surface-water interactions. We combine all-atom molecular dynamics simulations with a mean field model of interfacial hydrogen bonding to analyze the effect of surface-water interactions on the structural and energetic properties of the liquid water interface. We find that the molecular structure of water at a weakly interacting (i.e., hydrophobic) surface is resistant to change unless the strength of surface-water interactions are above a certain threshold. We find that below this threshold water's interfacial structure is homogeneous and insensitive to the details of the disordered surface, however, above this threshold water's interfacial structure is heterogeneous. Despite this heterogeneity, we demonstrate that the equilibrium distribution of molecular orientations can be used to quantify the energetic component of the surface-water interactions that contribute specifically to modifying the interfacial hydrogen bonding network. We identify this specific energetic component as a new measure of hydrophilicity, which we refer to as the intrinsic hydropathy.

연구 동기 및 목표

• 표면-수분 상호작용이 계면 수분의 분자 구조와 수소결합 네트워크에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 균일한 구조에서 비균일한 구조로의 전이를 유도하는 표면-수분 상호작용 강도의 임계값을 규명하기 위해.
• 표면 상호작용이 계면 수소결합 재구성에 기여하는 에너적 기여를 바탕으로, 정량적이고 물리적으로 해석 가능한 친수성 측정법인 '내재적 수용성'을 개발하기 위해.
• 물의 계면 분자 정렬 분포와 표면-수분 상호작용의 효과적 강도 사이의 연관성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 변화 가능한 표면 부분 전하(α 스케일링)를 가진 질서가 없는 조절 가능한 친수성 표면에서 액체 수분의 전체 원자 분자 동역학 시뮬레이션.
• 고정된 표면 수분 분자를 포함한 SPC/E 수분 모델을 사용하여 다양한 표면 극성 조건을 시뮬레이션.
• 계면 수소결합의 평균장 모델을 적용하여, 수소결합 네트워크 구조에 특별히 영향을 주는 표면-수분 상호작용의 에너적 기여를 분리.
• 계면 구조의 비균일성을 정량화하기 위해 수분 분자의 정렬 분포 기반의 질서 파라미터 δλphob 정의.
• 공극 형성에 대한 초과 화학적 위치 에너지(∆µex)와의 비교를 통해 영역을 친유성 또는 친수성으로 분류.
• 첫 번째 수화층을 나타내기 위해 가우시안 함수를 사용한 효과적 표면 밀도 프로파일 피팅을 수행하며, 밀도 프로파일에서 추출한 매개변수(as, σs, ρ0)를 활용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면-수분 상호작용 강도가 어느 임계값에 도달할 때 수분의 계면 수소결합 구조가 균일한 상태에서 비균일한 상태로 전이되는가?
• RQ2 계면에서 수분 분자의 평형 정렬 분포는 표면-수분 상호작용이 계면 수소결합 네트워크 재구성에 기여하는 에너적 기여를 어떻게 반영하는가?
• RQ3 계면 수분의 구조적 반응을 이용하여 표면의 세부 사항과 무관한 새로운, 물리적으로 의미 있는 표면 친수성 측정법을 정의할 수 있는가?
• RQ4 친수성 표면이 존재하는 바에도 불구하고 친유성 행동이 왜 수분 용해에서 흔한가?

주요 결과

• 표면-수분 상호작용 강도의 임계 임계값 이하에서는 계면 수분 구조가 균일하게 유지되며, 표면의 질서가 어지러운 상태임에도 불구하고 친유성 표면와 유사한 특성을 띤다.
• 이 임계값을 초과하면 계면 구조는 공간적으로 비균일해지며, 수소결합 네트워크가 손상된 영역과 약간 손상된 영역이 모두 존재한다.
• 계면에서 수분 분자의 평형 정렬 분포는 표면-수분 상호작용이 계면 수소결합 네트워크 재구성에 기여하는 특정 에너지 기여를 정량화하는 데 사용할 수 있다.
• 이 특정 에너지 기여는 '내재적 수용성'이라 불리는 새로운 친수성 측정법으로 제안되며, 표면의 형상과는 무관하고 상호작용 강도에만 민감하다.
• 조건부 확률 분석 결과, δλphob ≈ 0.1은 친유성과 유사한 계면 구조를 나타내며, |δλphob| > 0.1은 친수성과 유사한 구조를 나타낸다.
• 가우시안 피팅을 통한 표면 밀도 프로파일 매개변수(as, σs, ρ0)는 표면 극성 α가 증가함에 따라 증가하며, 이는 표면 친수성 증가에 따라 용매 흡착이 증가하고 첫 번째 수화층이 더 구조화됨을 나타낸다.