Вчені розгадують таємничі аномалії води

Дослідницька група з Університету Барселони представляє інноваційне теоретичне дослідження, яке вивчає унікальні властивості води. Вода, необхідна для життя молекула, демонструє незвичайні властивості, які називаються аномаліями, і визначають її поведінку. Незважаючи на широкі дослідження, залишається багато загадок про молекулярні механізми, що лежать в основі цих аномалій, які роблять воду унікальною. Розшифровка та відтворення цієї характерної поведінки в різних температурних діапазонах залишається серйозною проблемою для наукової спільноти.

Тепер дослідження представляє нову теоретичну модель, здатну подолати обмеження попередніх методологій, щоб зрозуміти, як вода поводиться в екстремальних умовах. Доповідь, розміщену на обкладинці журналу The Journal of Chemical Physics, очолюють Джанкарло Францезе та Луїс Енріке Коронас з факультету фізики та Інституту нанонауки та нанотехнологій Університету Барселони (IN2UB).

Дослідження не тільки розширює наше розуміння фізики води, але також має наслідки для технологій, біології та біомедицини, зокрема для лікування нейродегенеративних захворювань і розробки передових біотехнологій.

Модель CVF: краще розуміння фізики води

Дослідження, яке є результатом докторської дисертації, яку Луїс Е. Коронас представив у 2023 році на факультеті фізики Університету, демонструє нову теоретичну модель, яка відповідає акроніму CVF (ініціали прізвищ дослідників Луїса Е. Коронаса, Оріол Віланова та Джанкарло Францезе). Нова модель CVF є надійною, ефективною, масштабованою та доступною для передачі, а також включає квантові розрахунки ab initio, які точно відтворюють термодинамічні властивості води за різних умов.

Застосовуючи нову теоретичну основу, дослідження показує, що «існує критична точка між двома рідкими формами води, і ця критична точка є джерелом аномалій, які роблять воду унікальною та важливою для життя, а також для багатьох технологічних застосувань «, — каже професор Джанкарло Францезе з відділу статистичної фізики Департаменту фізики конденсованих середовищ.

«Хоча цей висновок вже був зроблений в інших моделях води, жодна з них не має специфічних характеристик моделі, яку ми розробили в цьому дослідженні», — каже Франзезе.

Деякі сучасні моделі для пояснення аномалій води не можуть адекватно відтворити термодинамічні властивості води, такі як її стисливість і теплоємність.

«Однак модель CVF робить це, оскільки вона включає результати початкових квантових розрахунків взаємодії між молекулами. Ці взаємодії, відомі як проблеми багатьох тіл, виходять за рамки класичної фізики й пов’язані з тим фактом, що молекули води ділять електрони таким чином, що важко виміряти експериментально», — каже Франзезе.

Згідно з дослідженням, «коливання щільності, енергії та ентропії у воді регулюються цими квантовими взаємодіями з ефектами від нанометрового до макроскопічного масштабу», — каже дослідник Луїс Е. Коронас.

«Наприклад, — продовжує Коронас, — вода регулює обмін енергії та молекул, а також стан агрегації білків і нуклеїнових кислот у клітинах. Імовірно, дефекти цих процесів спричиняють такі серйозні захворювання, як хвороба Альцгеймера , Паркінсона та бічний аміотрофічний склероз. Тому розуміння того, як коливання води сприяють цим процесам, може стати ключовим для пошуку методів лікування цих захворювань».

Сприяння розвитку нових біотехнологій

Модель CVF також пропонує нові переваги, які дозволяють виконувати обчислення там, де інші моделі зазнають невдачі, або через те, що вони занадто важкі з погляду обчислень, або через те, що вони значно відхиляються від експериментальних результатів.

У сфері технологічного розвитку деякі лабораторії розробляють біотехнології для заміни м’язів (механічних приводів), які використовують переваги квантової взаємодії води; мемристори на водній основі для створення запам’ятовуючих пристроїв (ємність яких у мільйони разів перевищує нинішні) або застосування графенових губок, які відокремлюють воду від домішок завдяки коливанням щільності води в нанопорах.

Є також наслідки для розуміння фізики води. «Ця модель може відтворювати властивості рідкої води практично при всіх температурах і тисках, які є на нашій планеті, хоча вона відхиляється в екстремальних умовах, досягнутих у лабораторіях», — кажуть експерти. «Це показує, що ефекти, не включені в модель — ядерні квантові ефекти — також важливі при цих екстремальних тисках і температурах. Таким чином, обмеження моделі вказують нам, де потрібно вдосконалюватися, щоб отримати остаточне формулювання моделі», – підсумовують вони.