We present a high energy x-ray reflectivity study of the density profiles of water and ice at hydrophobic and hydrophilic substrates. At the hydrophobic water/octadecyl-trichlorosilane (water-OTS) interface, we find clear evidence for a thin density depletion layer with an integrated density deficit corresponding to approximately 40% of a monolayer of water molecules. We discuss the experimental results in terms of a simple model of hydrophobic/hydrophilic solid-liquid interfaces. Our results also exclude the presence of nanobubbles. A detailed study of possible radiation damage induced by the intense x-ray beam at the dry OTS surface and at the ice-OTS, as well as at water-OTS interfaces, discloses that noticeable damage is only induced at the water-OTS interface, and thus points to the dominant role of highly mobile radicals formed in bulk water close to the interface.

1.
D.
Chandler
,
Nature (London)
437
,
640
(
2005
).
2.
D.
Chandler
,
Nature (London)
445
,
831
(
2007
).
3.
E. E.
Meyor
,
K. J.
Rosenberg
, and
J.
Israelachvili
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
103
,
15739
(
2006
).
4.
K.
Lum
,
D.
Chandler
, and
J. D.
Weeks
,
J. Phys. Chem. B
103
,
4570
(
1999
).
5.
S. I.
Mamatkulov
,
P. K.
Khabibullaev
, and
R. R.
Netz
,
Langmuir
20
,
4756
(
2004
).
6.
A.
Schreiber
,
I.
Ketelsen
, and
G. H.
Findenegg
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
3
,
1185
(
2001
).
7.
C. Y.
Lee
,
J. A.
McCammon
, and
P. J.
Rossky
,
J. Chem. Phys.
80
,
4448
(
1984
).
8.
J. R.
Grigera
,
S. G.
Kalko
, and
J.
Fischbarg
,
Langmuir
12
,
154
(
1996
).
9.
T. R.
Jensen
,
M. O.
Jensen
,
N.
Reitzel
,
K.
Balashev
,
G. H.
Peters
,
K.
Kjaer
, and
T.
Bjornholm
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
086101
(
2003
).
10.
N.
Giovambattista
,
P. J.
Rossky
, and
P. G.
Debenedetti
,
Phys. Rev. E
73
,
041604
(
2006
).
11.
N.
Giovambattista
,
P. G.
Debenedetti
, and
P. J.
Rossky
,
J. Phys. Chem. B
111
,
9581
(
2007
).
12.
J.
Janecek
and
R. R.
Netz
,
Langmuir
23
,
8417
(
2007
).
13.
Y. R.
Shen
and
V.
Ostroverkhov
,
Chem. Rev. (Washington, D.C.)
106
,
1140
(
2006
).
14.
V.
Ostroverkhov
,
G. A.
Waychunas
, and
Y. R.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
046102
(
2005
).
15.
Q.
Du
,
E.
Freysz
, and
Y. R.
Shen
,
Science
264
,
826
(
1994
).
16.
L. F.
Scatena
,
M. G.
Brown
, and
G. L.
Richmond
,
Science
292
,
908
(
2001
).
17.
S.
Ye
,
S.
Nihonyanagi
, and
K.
Uosaki
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
3
,
3463
(
2001
).
18.
Z.
Ge
,
D. G.
Cahill
, and
P. V.
Brown
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
186101
(
2006
).
19.
S.
Subramanian
and
S.
Sampath
,
J. Colloid Interface Sci.
313
,
64
(
2007
).
20.
M.
Mao
,
J.
Zhang
,
R. H.
Yoon
, and
W. A.
Ducker
,
Langmuir
20
,
1843
(
2004
).
21.
Y.
Takata
,
J. H. J.
Cho
,
B. M.
Law
, and
M.
Aratono
,
Langmuir
22
,
1715
(
2006
).
22.
Y. S.
Seo
and
S.
Satija
,
Langmuir
22
,
7113
(
2006
).
23.
R.
Steitz
,
T.
Gutberlet
,
T.
Hauss
,
B.
Klosgen
,
R.
Krastev
,
S.
Schemmel
,
A. C.
Simonsen
, and
G. H.
Findenegg
,
Langmuir
19
,
2409
(
2003
).
24.
D.
Schwendel
,
T.
Hayashi
,
R.
Dahint
,
A.
Pertsin
,
M.
Grunze
,
R.
Steitz
, and
F.
Schreiber
,
Langmuir
19
,
2284
(
2003
).
25.
D. A.
Doshi
,
E. B.
Watkins
,
J. N.
Israelachvili
, and
J.
Majewski
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
102
,
9458
(
2005
).
26.
M.
Mezger
,
H.
Reichert
,
S.
Schöder
,
J.
Okasinski
,
H.
Schröder
,
H.
Dosch
,
D.
Palms
,
J.
Ralston
, and
V.
Honkimäki
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
49
,
18401
(
2006
).
27.
M.
Maccarini
,
R.
Steitz
,
M.
Himmelhaus
,
J.
Fick
,
S.
Tatur
,
M.
Wolff
,
M.
Grunze
,
J.
Janecek
, and
R. R.
Netz
,
Langmuir
23
,
598
(
2007
).
28.
A.
Poynor
,
L.
Hong
,
I. K.
Robinson
,
S.
Granick
,
Z.
Zhang
, and
P. A.
Fenter
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
266101
(
2006
).
29.
J.
Mahnke
,
J.
Stearnes
,
R. A.
Hayes
,
D.
Fornasiero
, and
J.
Ralston
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
1
,
2793
(
1999
).
30.
N.
Ishida
,
T.
Inoue
,
N.
Miyahara
, and
K.
Higashitani
,
Langmuir
16
,
6377
(
2000
).
31.
J. W. G.
Tyrrell
and
P.
Attard
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
176104
(
2001
).
32.
J.
Yang
,
J.
Duan
,
D.
Fornasiero
, and
J.
Ralston
,
J. Phys. Chem. B
107
,
6139
(
2003
).
33.
M.
Holmberg
,
A.
Kuhle
,
J.
Garnaes
,
K. A.
Morch
, and
A.
Boisen
,
Langmuir
19
,
10510
(
2003
).
34.
A. C.
Simonsen
,
P. L.
Hansen
, and
B.
Klosgen
,
J. Colloid Interface Sci.
273
,
291
(
2004
).
35.
M.
Weik
,
R. B. G.
Ravellidagger
,
G.
Kryger
,
S.
McSweeney
,
M. L.
Raves
,
M. H. P.
Gros
,
I.
Silmanpar
,
J.
Kroon
, and
J. L.
Sussman
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
97
,
623
(
2000
).
36.
M. R.
Howells
,
T.
Beetz
,
H. N.
Chapman
,
C.
Cui
,
J. M.
Holton
,
C. J.
Jacobsen
,
J.
Kirz
,
E.
Lima
,
S.
Marchesini
,
H.
Miao
,
D.
Sayre
,
D. A.
Shapiro
, and
J. C. H.
Spence
, e-print arXiv:physics/0502059 [physics.optics] http://arxiv.org/abs/physics/0502059
37.
A. C.
Cheng
and
M.
Caffrey
,
Biophys. J.
70
,
2212
(
1996
).
38.

A single Piranha etch did not induce additional roughening of the substrate.

39.
J.
Bilgram
,
H.
Wenzl
, and
G.
Mair
,
J. Cryst. Growth
20
,
319
(
1973
).
40.
H.
Reichert
,
V.
Honkimäki
,
A.
Snigirev
,
S.
Engemann
, and
H.
Dosch
,
Physica B
336
,
46
(
2003
).
41.
V.
Honkimäki
,
H.
Reichert
,
J. S.
Okasinski
, and
H.
Dosch
,
J. Synchrotron Radiat.
13
,
426
(
2006
).
42.
B.
Lengeler
,
C. G.
Schroer
,
M.
Richwin
,
J.
Tümmler
,
M.
Drakopoulos
,
A.
Snigirev
, and
I.
Snigireva
,
Appl. Phys. Lett.
74
,
3924
(
1999
).
43.
L. G.
Parratt
,
Phys. Rev.
95
,
359
(
1954
).
44.
M.
Tolan
,
X-Ray Scattering from Soft Matter Thin Films
(
Springer
,
Berlin
,
1999
).
45.
L.
Ingber
,
Adaptive Simulated Annealing
(http://www.ingber.com).
46.
L.
Ingber
,
Math. Comput. Modell.
18
,
29
(
1993
).
47.
C. T.
Chantler
,
K.
Olsen
,
R. A.
Dragoset
,
A. R.
Kishore
,
S. A.
Kotochigova
, and
D. S.
Zucker
,
X-Ray Form Factor, Attenuation and Scattering Tables
(
National Institute of Standards and Technology
,
Gaithersburg
,
2003
).
48.
S. R.
Wasserman
,
G. M.
Whitesides
,
I. M.
Tidswell
,
B. M.
Ocko
,
P. S.
Pershan
, and
J. D.
Axe
,
J. Am. Chem. Soc.
111
,
5852
(
1989
).
49.
I. M.
Tidswell
,
B. M.
Ocko
,
P. S.
Pershan
,
S. R.
Wasserman
,
G. M.
Whitesides
, and
J. D.
Axe
,
Phys. Rev. B
41
,
1111
(
1990
).
50.
I. M.
Tidswell
,
T. A.
Rabedeau
,
P. S.
Pershan
,
S. D.
Kosowsky
,
J. P.
Folkers
, and
G. M.
Whitesides
,
J. Chem. Phys.
95
,
2854
(
1991
).
51.
R.
Boese
,
H. C.
Weiss
, and
D.
Blaser
,
Angew. Chem., Int. Ed.
38
,
988
(
1999
).
52.
J.
Yang
,
J.
Duan
,
D.
Fornasiero
, and
J.
Ralston
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
9
,
6327
(
2007
).
53.
W.
Gong
,
J.
Stearnes
,
D.
Fornasiero
,
R. A.
Hayes
, and
J.
Ralston
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
1
,
2799
(
1999
).
54.
D. R. E.
Snoswell
,
J.
Duan
,
D.
Fornasiero
, and
J.
Ralston
,
J. Phys. Chem. B
107
,
2986
(
2003
).
55.
S.
Engemann
,
H.
Reichert
,
H.
Dosch
,
J.
Bilgram
,
V.
Honkimäki
, and
A.
Snigirev
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
205701
(
2004
).
56.
N. I.
Timneanu
,
C.
Caleman
,
J.
Hajdu
, and
D.
van der Spoel
,
Chem. Phys.
299
,
277
(
2004
).
57.
A.
Shaporenko
,
M.
Zharnikov
,
P.
Feulner
, and
D.
Menzel
,
J. Phys.: Condens. Matter
18
,
1677
(
2006
).
58.
B.
Sclavi
,
S.
Woodson
,
M.
Sullivan
,
M.
Chance
, and
M.
Brenowitz
,
Methods Enzymol.
295
,
379
(
1998
).
59.
B.
Sclavi
,
M.
Sullivan
,
M. R.
Chance
,
M.
Brenowitz
, and
S. A.
Woodson
,
Science
279
,
1940
(
2008
).
61.
F.
van Swol
and
J. R.
Henderson
,
Phys. Rev. A
40
,
2567
(
1989
).
62.
R.
Evans
,
J. R.
Henderson
, and
R.
Roth
,
J. Chem. Phys.
121
,
12074
(
2004
).
63.
A. K.
Soper
and
M. A.
Ricci
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
2881
(
2000
).
64.
G.
Hura
,
J. M.
Sorenson
,
R. M.
Glaeser
, and
T.
Head-Gordon
,
J. Chem. Phys.
113
,
9140
(
2000
),.
65.
L.
Cheng
,
P.
Fenter
,
K. L.
Nagy
,
M. L.
Schlegel
, and
N. C.
Sturchio
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
156103
(
2001
).
66.
L.
Bosio
,
J.
Teixeira
, and
H. E.
Stanley
,
Phys. Rev. Lett.
46
,
597
(
1981
).
67.
Y.
Xie
,
K. F.
Ludwig
,
G.
Morales
,
D. E.
Hare
, and
C. M.
Sorensen
,
Phys. Rev. Lett.
71
,
2050
(
1993
).
68.
B. M.
Ocko
,
A.
Dhinojwala
, and
J.
Daillant
, “Comment on ‘How water meets a hydrophobic surface’,”
Phys. Rev. Lett.
(to be published).
69.
J. H.
Hubbell
and
S. M.
Seltzer
,
Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients
(
National Institute of Standards and Technology
,
Gaithersburg
,
1996
).
You do not currently have access to this content.