Simulations DFT-MD des oxydes de silice aqueux : structure, motifs interfaciaux, hydrophilie et spectroscopie

Le dioxyde de silicium (silice) est l'un des minéraux les plus abondants de la Terre et un matériau essentiel dans des domaines tels que la catalyse, les technologies des semi-conducteurs et les applications biomédicales. Un défi central réside dans la compréhension et le contrôle de la mouillabilité des interfaces silice-eau, car l'hydrophilie et l'hydrophobie régulent directement des processus tels que la performance des capteurs, le rendement catalytique, le contrôle microfluidique et l'administration de médicaments. Bien que les spectroscopies sensibles à la surface, les méthodes de diffusion microscopique et les simulations moléculaires aient fourni des informations précieuses, les origines moléculaires de l'hydrophilie et de l'hydrophobie interfaciales demeurent mal élucidées en raison de la complexité et du caractère dynamique des réseaux de liaisons hydrogène.Dans ce travail, nous relevons ce défi en intégrant des simulations de dynamique moléculaire basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT-MD) avec la théorie des graphes. Ce cadre transforme les liaisons hydrogène interfaciales en une représentation de réseau exploitable, où les molécules d'eau et les groupements silanols de surface sont traités comme des nœuds et les liaisons hydrogène comme des arêtes.Grâce à une analyse systématique de six faces cristallines et de six surfaces amorphes de silice, nous mettons en évidence la structure de surface, la position atomique, la force des liaisons hydrogène ainsi que les motifs de liaisons SiOH-H₂O qui gouvernent la mouillabilité. Nos résultats montrent comment des arrangements interfacials uniques émergent sur certaines faces cristallines, tandis que d'autres persistent universellement à la fois sur la silice cristalline et amorphe. Cette perspective fondée sur les réseaux établit un cadre prédictif pour le comportement des interfaces silice-eau et introduit une méthodologie largement transférable pour l'étude des interfaces aqueuses complexes.