Molecular dynamics simulations of silane coated silica substrates

Abstract

Self-assembled monolayers (SAMs) provide an efficient way to modify the surface properties of many metal and semiconductor substrates. When monolayers are built onto a surface, particularly the surface-water interactions are affected, which yields new hydrophobic and hydrophilic properties. Application of SAMs in new materials benefits from a reliable way of adjusting their surface wetting and molecular interactions.

To respond to this need, structurally diverse alkylsilanes with different alkyl group lengths and molecular coverages were investigated in this thesis for SAMs using molecular dynamics (MD). Previous work on the subject has mainly focused on long alkylsilanes or on pure SAM systems without water. The goal of the work was to reveal how the surface wettability of short-chain alkylsilane coated silica could be tuned. Furthermore, relationships between the structure of a SAMs and the contact angles of a water nanodroplet on the coated surface were examined for future materials design.

The main discovery in this work was that the orientational order in the monolayer could explain much of the contact angle changes for short and ultra-short alkylsilane SAMs. Hydrogen bonding inside and near the SAM requires further research, but preliminary trends were identified relating to the structural changes. The studied short alkylsilanes were unable to form highly ordered or classically hydrophobic surfaces, but the hydrophilicity compared an uncoated silica could be accurately tuned with both coverage and alkylsilane length. As an important finding, it was noticed that ultra-short alkylsilanes behave differently to the rest due to their weak van der Waals attractions with each other. Furthermore, a phase diagram was constructed which shows a novel finding that past certain coverages and chain lengths the wetted and non-wetted surface structures become dissimilar. This indicates that the structure and properties of the water wetted area can differ significantly from the non-wetted part, which is expected to be useful for future SAM materials design.

Itsejärjestäytyvät yksimolekyylikerrokset mahdollistavat monien metalli- ja puolijohdesubstraattien pintaominaisuuksien tehokkaan muokkaamisen. Varsinkin kiinteän ja nesteiden väliset vuorovaikutukset muuttuvat molekyylien kerrostuessa pinnoille, mikä vaikuttaa pinnan hydrofobisuuteen. Tulevaisuuden uudet materiaalit vaativat tarkasti hienosäädettäviä ominaisuuksia. Erityisesti vuorovaikutus veden ja muiden ympäristön kemikaalien kanssa on tärkeää.

Tässä diplomityössä tutkittiin alkyylsilaanikerroksen rakenteen ja ominaisuuksien muokkaamista alkyylisilaanien ketjun pituutta sekä peittoastetta vaihtamalla. Tutkimus tehtiin molekyylidynamiikkasimulaatiomenetelmällä, jonka avulla atomiskaalan rakenteen muutoksia voidaan analysoida ja suoraan visualisoida. Monet edeltävät tutkimukset ovat keskittyneet joko pitkiin alkyylisilaaneihin tai yksimolekyylikerroksiin ilman vettä. Tämän työn tarkoituksena oli selvittää, kuinka veden leviämistä lyhyillä alkyylisilaaneilla peitetyllä piioksidipinnalla voidaan hallita. Lisäksi tarkoituksena oli selvittää yksimolekyylikerroksen sisäisen rakenteen ja lopullisten veden kontaktikulmien välinen yhteys. Uudet löydökset alkyylisilaaneilla voivat päteä myös muihin vastaaviin ketjumaisiin lähtöaineisiin, avaten uusia keinoja parantaa yksimolekyylikerroksia.

Työn päälöydös oli, että molekyylien keskinäinen järjestäytyminen kerrosten sisällä selitti sekä lyhyiden että äärimmäisten lyhyiden alkyylisilaanikerrosten vaikutuksia veden kontaktikulmiin. Pinnan molekyylien ja vesimolekyylien väliset vetysidokset muuttuivat ja niiden olennaiset kehityssuunnat tunnistettiin, mutta laajempi yhdistäminen muihin muuttujiin vaatii jatkotutkimusta. Tulokset osoittavat, että pintojen hydrofiilisuusastetta pystytään tarkasti säätelemään molekyylipituuden ja kerroksen peittävyyden avulla. Tärkeä löydös oli myös, että äärimmäisen lyhyet alkyylisilaanit ovat rakenteeltaan ja käyttäytymiseltään erilaisia verrattuna pidempiin molekyyleihin, koska niiden van der Waals vuorovaikutukset ovat verrattain heikkoja. Lisäksi työssä tuloksena saatiin faasidiagrammi, joka esittää, kuinka pinnan kastuneiden ja kastumattomien osuuksien rakenteet eroavat toistaan alkyyliketjun pituuden ja peittoasteen kasvaessa. Tämä on hyödyllistä yksimolekyylikerrosten materiaalitutkimukselle sekä hyödyntämiselle tulevaisuudessa, sillä se osoittaa, kuinka veden kanssa vuorovaikuttavan osan rakenne voi nopeasti muuttua verrattuna kuivaan pintaan.