Дослідники з’ясували, що коли молекула витісняє «захоплену» воду, енергія, яку ця вода залишає після себе, дозволяє молекулі створювати міцніші зв’язки. У вигляді річок, що течуть, хвиль, що перекочуються, або крапель дощу, які стікають вікном автомобіля, вода майже завжди здається такою, що перебуває в русі. Але що станеться, якщо її замкнути настільки, що вона повністю втратить здатність рухатися?
Рідку воду можна зробити нерухомою, але коли це відбувається, вона починає поводитися дивно. Коли вода затиснена у надзвичайно вузьких просторах між молекулами, її поведінка змінюється, і те, як саме вона взаємодіє з молекулами, між якими «ув’язнена», раніше залишалося невідомим. Саме цю загадку хотів розв’язати хімік Франк Бідерманн із Німецького інституту технологій у Карлсруе (KIT). Щоб з’ясувати, чи співіснує захоплена вода з молекулами навколо неї, чи бере участь у їхніх взаємодіях, він і його команда дослідили поведінку такої води за допомогою комп’ютерних симуляцій — і знайшли дещо несподіване.
Вода, ув’язнена між молекулами, має високий запас енергії, попри відсутність руху. Але все змінюється, щойно з’являється інша молекула і витісняє цю воду. Через величезну накопичену енергію вода буквально «вибухає» зі свого простору, виштовхуючи нову молекулу всередину. Як виявилося, вивільнена енергія настільки велика, що вона зміцнює зв’язок між новою молекулою та порожнім простором, який вона займає. Вона також посилює зв’язки між початковою молекулою та іншими молекулами, з якими вона з’єднується — хоча сила такого зв’язку залежить від речовини, з якою взаємодіє вода.
«Наш аналіз спрощених систем «хост-гость» чітко показує, що зв’язувальні властивості сильно залежать від термодинамічних характеристик води, яка витісняється зі зв’язувальних ділянок», — сказав Бідерманн у дослідженні, нещодавно опублікованому в журналі Angewandte Chemie. «Ці термодинамічні властивості води та вигідність її витіснення сильно змінюються залежно від хімічної природи молекули-хоста».
Уявіть це явище як переповнений вагон метро у годину пік, коли зайняте все — і місця для сидіння, і стояння. Пасажири з нетерпінням хочуть вибратися назовні, і щойно двері відчиняються, вони вириваються на платформу, дозволяючи іншим зайняти вільні місця перед тим, як потяг рушить знову. Початкова група пасажирів — це як молекула води. Після виходу вони залишають порожній вагон для другої групи, яка метушливо пробирається всередину, побачивши вільний простір.
Хоча в метро не передається енергія буквально, можна сказати, що натовп, який виходить, стимулює інших швидко зайняти місця. І все це активізується в години пік. Так само вода з високою енергією вивільняє більше чи менше енергії залежно від того, скільки її накопичено, і яка саме молекула входить, діючи як сила зв’язування для нової молекули. Вода з більшим запасом енергії та «правильною» молекулою працює як натовп у метро під час найбільшого напливу.
Відкриття Бідерманна може мати застосування далеко за межами вивчення фізики й хімії поведінки захопленої води. Посилення зв’язків між молекулами таким чином може допомогти створювати міцніші ліки та матеріали. Якщо виявиться, що вода ув’язнена між білками в ліках, науковці можуть розробити формулу, яка дозволить активним молекулам витіснити таку воду та використати енергію, яку вона вивільняє. Сильніші зв’язки зроблять лікування ефективнішим.
«Розроблені нами концепції можуть застосовуватися і до інших макромолекулярних систем-хостів, — зазначили дослідники. — Таким чином, вони можуть широко використовуватися для пояснення спостережень і для створення нових фармакологічних препаратів та супрамолекулярних систем».