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 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 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
Słowa kluczowe
HyBOP, woda, cząsteczka, wiązanie wodorowe, sieć wiązań wodorowych, ruch kątowy
