Zespół badawczy z Uniwersytetu w Barcelonie przedstawia innowacyjne badanie teoretyczne badające unikalne właściwości wody.
Woda, cząsteczka niezbędna do życia, wykazuje niezwykłe właściwości – zwane anomaliami – które definiują jej zachowanie. Pomimo szeroko zakrojonych badań pozostaje wiele tajemnic dotyczących mechanizmów molekularnych leżących u podstaw tych anomalii, które czynią wodę wyjątkową. Rozszyfrowanie i odtworzenie tego charakterystycznego zachowania w różnych zakresach temperatur pozostaje poważnym wyzwaniem dla społeczności naukowej.
Obecnie w badaniu przedstawiono nowy model teoretyczny, który jest w stanie przezwyciężyć ograniczenia poprzednich metodologii i zrozumieć, jak woda zachowuje się w ekstremalnych warunkach. Gazeta, która znalazła się na okładce Journal of Chemical Physicskierują Giancarlo Franzese i Luis Enrique Coronas z Wydziału Fizyki oraz Instytutu Nanonauki i Nanotechnologii Uniwersytetu w Barcelonie (IN2UB).
Badanie nie tylko poszerza naszą wiedzę na temat fizyki wody, ale ma także implikacje dla technologii, biologii i biomedycyny, w szczególności w zakresie leczenia chorób neurodegeneracyjnych i rozwoju zaawansowanych biotechnologii.
Model CVF: lepsze zrozumienie fizyki wody
Badanie, będące efektem rozprawy doktorskiej, którą Luis E. Coronas przedstawił w 2023 r. na Wydziale Fizyki UB, pokazuje nowy model teoretyczny odpowiadający akronimowi CVF (inicjały nazwisk badaczy Luisa E. Coronasa , Oriol Vilanova i Giancarlo Franzese). Nowy model CVF jest niezawodny, wydajny, skalowalny i przenośny, a także zawiera rozwiązania od początku obliczenia kwantowe, które dokładnie odtwarzają właściwości termodynamiczne wody w różnych warunkach.
Dzięki zastosowaniu nowych ram teoretycznych badanie ujawnia, że „istnieje punkt krytyczny pomiędzy dwiema płynnymi formami wody i ten punkt krytyczny jest źródłem anomalii, które czynią wodę wyjątkową i niezbędną do życia, a także do wielu zastosowań technologicznych ” – mówi profesor Giancarlo Franzese z Sekcji Fizyki Statystycznej Wydziału Fizyki Materii Skondensowanej.
„Chociaż do tego wniosku doszliśmy już w przypadku innych modeli wody, żaden z nich nie ma specyficznych cech modelu, który opracowaliśmy w tym badaniu” – mówi Franzese.
Niektóre obecne modele wyjaśniające anomalie w wodzie nie są w stanie odpowiednio odtworzyć właściwości termodynamicznych wody, takich jak jej ściśliwość i pojemność cieplna.
„Jednak model CVF robi to, ponieważ uwzględnia wyniki wstępnych obliczeń kwantowych interakcji między cząsteczkami. Te interakcje, tzw problemy wielu ciałwykraczają poza fizykę klasyczną i wynikają z faktu, że cząsteczki wody dzielą elektrony w sposób trudny do zmierzenia eksperymentalnie” – mówi Franzese.
Według badania „wahania gęstości, energii i entropii w wodzie są regulowane przez te interakcje kwantowe, a ich skutki sięgają od nanometrów po skalę makroskopową” – mówi badacz Luis E. Coronas.
„Na przykład – kontynuuje Coronas – woda reguluje wymianę energii i cząsteczek, a także stan agregacji białek i kwasów nukleinowych w komórkach. Podejrzewa się, że defekty w tych procesach mogą powodować poważne choroby, takie jak AlzheimeraParkinsona i stwardnienie zanikowe boczne. Zrozumienie, w jaki sposób wahania wody przyczyniają się do tych procesów, może zatem być kluczem do znalezienia metod leczenia tych chorób”.
Wspieranie rozwoju nowych biotechnologii
Model CVF oferuje również nowe zalety, które umożliwiają wykonywanie obliczeń tam, gdzie inne modele zawodzą, albo ze względu na to, że są one zbyt wymagające obliczeniowo, albo dlatego, że znacznie odbiegają od wyników eksperymentalnych.
W dziedzinie rozwoju technologicznego niektóre laboratoria opracowują biotechnologie zastępujące mięśnie (siłowniki mechaniczne), które wykorzystują kwantowe oddziaływania wody; memrystorów wodnych do tworzenia urządzeń pamięciowych (o pojemności miliony razy większej od obecnych) czy zastosowanie grafen gąbki oddzielające wodę od zanieczyszczeń dzięki wahaniom gęstości wody w nanoporach.
Istnieją również implikacje dla zrozumienia fizyki wody. „Ten model może odtworzyć właściwości ciekłej wody praktycznie we wszystkich temperaturach i ciśnieniach występujących na naszej planecie, chociaż odbiegają one od ekstremalnych warunków osiąganych w laboratoriach” – twierdzą eksperci. „To pokazuje, że efekty nieuwzględnione w modelu – jądrowe efekty kwantowe – są również ważne przy tak ekstremalnych ciśnieniach i temperaturach. Zatem ograniczenia modelu wskazują nam, gdzie należy ulepszyć, aby uzyskać ostateczne sformułowanie modelu” – podsumowują.
Odniesienie: „Zachowanie fazowe metastabilnej wody na podstawie wielkoskalowych symulacji ilościowo dokładnego modelu w pobliżu warunków otoczenia: Przedstawiony punkt krytyczny ciecz-ciecz”, do 22 października 2024 r., Luis Enrique Coronas i Giancarlo Franzese, 22 października 2024 r., Journal of Chemical Physics.
DOI: 10.1063/5.0219313
