Cząsteczki wody poruszają się w grupach
Jaką rolę w dynamice wody odgrywa sieć wiązań wodorowych w jej cząsteczkach? Odpowiedzi na to pytanie dostarcza nowe badanie dofinansowane ze środków unijnego projektu HyBOP. Wyniki badania(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanego na łamach czasopisma naukowego „Nature Communications” rzucają nowe światło na powiązania między reorganizacją sieci wiązań wodorowych i zbiorową dynamiką reorientacji cząsteczek wody w stanie ciekłym. „Sieci wiązań wodorowych nie są niezmienne, ulegają bowiem ciągłym zmianom wywoływanym przez fluktuacje temperatury i inne czynniki, które prowadzą do zrywania istniejących i tworzenia nowych wiązań wodorowych”, wyjaśnia główny autor badania, dr Adu Offei-Danso z Międzynarodowego Centrum Fizyki Teoretycznej im. Abdusa Salama (ICTP) we Włoszech, którego wypowiedź została przytoczona w artykule(odnośnik otworzy się w nowym oknie) opublikowanym niedawno na stronie internetowej ICTP. Jak dodaje badacz: „Te zmiany w sieciach wiązań wodorowych mają kluczowe znaczenie dla różnych procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych zachodzących w wodzie w stanie ciekłym, dlatego tak ważne jest zrozumienie mechanizmów działania tego zjawiska w skali mikroskopowej”.
Samotność w sieci?
Kilkanaście lat temu naukowcy odkryli, że rotacje cząsteczek wody, które są wskazywane jako jeden z kluczowych czynników wpływających na dynamikę wiązań wodorowych, zwykle nie zachodzą w ramach niewielkich kroków dyfuzyjnych, ale w ramach nagłych, dużych skoków. „Te skoki o wysokich kątach dotychczas uważano za odosobnione zdarzenia”, twierdzi współautor badania dr Ali Hassanali, pracownik naukowcy ICTP. „Gdy dochodzi do tych nagłych i szybkich rotacji, następuje zerwanie istniejących wiązań oraz utworzenie nowych wiązań wodorowych z sąsiednimi cząsteczkami. Zachodzi więc zmiana w lokalnej sieci wiązań wodorowych”. Co jednak dzieje się z innymi cząsteczkami wody w sieci podczas takich skoków? Pozostają niezmienione? A może aktywnie uczestniczą w zbiorowym procesie? „To właśnie to pytanie spędzało nam sen z powiek”, mówi dr Hassanali. Naukowcy przeprowadzili symulacje komputerowe wody w stanie ciekłym, stosując podejścia z dziedziny fizyki statystycznej w celu zrozumienia zachowania zbiorowego oraz opierając się na technikach zaczerpniętych z dziedziny nauki o danych w celu pominięcia lub ograniczenia interwencji ludzi. „Aby wykazać, czy w ogóle mamy do czynienia ze zbiorowym procesem w dynamice reorientacji cząsteczek wody, musieliśmy najpierw określić wielkość, która pozwala uchwycić ich nagły ruch kątowy”, tłumaczy dr Offei-Danso. Zespół wykorzystał te obserwacje do opracowania narzędzia, które pozwoliło zwizualizować dużą liczbę skoków kątowych zachodzących jednocześnie w układzie. „Co więcej, odkryliśmy, że zachodzą one w wysoce zorganizowany i skoordynowany sposób”, zauważa dr Offei-Danso. Dr Uriel Morzan, współautor badania i starszy pracownik naukowy ICTP, opisuje zaobserwowaną przez zespół silną zależność między rotacją kątową cząsteczek wody a zmianami topologii i gęstości w sieci wiązań wodorowych: „Nasze wyniki wskazują, że po wystąpieniu dużego skoku następuje kaskada fluktuacji wiązań wodorowych”. Fluktuacje te wywołują następnie falę małych i dużych skoków kątowych. „Nasza analiza wykazała zbiorową reorientację i zmiany struktury sieci, które obejmują kilka większych grup pobliskich cząsteczek rozmieszczonych w całym układzie”, dodaje współautor badania dr Alex Rodriguez, który jest adiunktem na Uniwersytecie w Trieście. Omawiane prace kładą podwaliny pod dalsze badania nad rolą dynamiki zbiorowej w różnych procesach fizycznych, chemicznych i biologicznych. 5-letni projekt HyBOP (Hydrogen Bond Networks as Optical Probes) dobiegnie końca w 2027 roku. Więcej informacji: projekt HyBOP(odnośnik otworzy się w nowym oknie)
Słowa kluczowe
HyBOP, woda, cząsteczka, wiązanie wodorowe, sieć wiązań wodorowych, ruch kątowy
