|
Аномальные свойства воды в экстремальных условиях
|
|
|
|
Вода, молекула, необходимая для жизни, обладает необычными свойствами, известными как аномалии, которые определяют ее поведение. Однако до сих пор остается много загадок о молекулярных механизмах, которые могли бы объяснить аномалии, делающие молекулу воды уникальной. Расшифровка и воспроизведение этого специфического поведения воды в различных температурных диапазонах по-прежнему является серьезной проблемой для научного сообщества.
|
|
|
|
Теперь в исследовании представлена новая теоретическая модель, способная преодолеть ограничения предыдущих методик и понять, как ведет себя вода в экстремальных условиях. Статья, опубликованная на обложке журнала Journal of Chemical Physics, написана под руководством Джанкарло Францезе и Луиса Энрике Коронаса с физического факультета и Института нанонауки и нанотехнологий Университета Барселоны (IN2UB).
|
|
|
|
Это исследование не только расширяет наше понимание физики воды, но и имеет значение для технологий, биологии и биомедицины, в частности, для лечения нейродегенеративных заболеваний и разработки передовых биотехнологий.
|
|
|
|
|
|
|
Модель CVF: лучшее понимание физики воды
|
|
|
|
Исследование, которое является результатом докторской диссертации, представленной Коронасом в 2023 году на физическом факультете Калифорнийского университета, демонстрирует новую теоретическую модель, которая соответствует аббревиатуре CVF (инициалы фамилий исследователей Коронаса, Ориоля Вилановы и Джанкарло Францезе). Новая модель CVF является надежной, эффективной, масштабируемой и переносимой и включает в себя квантовые расчеты ab initio, которые точно воспроизводят термодинамические свойства воды в различных условиях.
|
|
|
|
Применяя новую теоретическую базу, исследование показывает, что "существует критическая точка между двумя жидкими формами воды, и эта критическая точка является источником аномалий, которые делают воду уникальной и необходимой для жизни, а также для многих технологических применений", - говорит профессор Джанкарло Францезе из Статистического института. Физический отдел кафедры физики конденсированных сред.
|
|
|
|
"Хотя этот вывод уже был сделан в других водных моделях, ни одна из них не обладает специфическими характеристиками модели, которую мы разработали в этом исследовании", - говорит Францезе.
|
|
|
|
"Однако модель CVF делает это потому, что она включает в себя результаты первоначальных квантовых расчетов взаимодействий между молекулами. Эти взаимодействия, известные как проблемы многих тел, выходят за рамки классической физики и обусловлены тем фактом, что молекулы воды обмениваются электронами таким образом, что это трудно измерить экспериментально", - говорит Францезе.
|
|
|
|
Согласно исследованию, "колебания плотности, энергии и энтропии в воде регулируются этими квантовыми взаимодействиями, причем эффекты варьируются от нанометрового до макроскопического масштаба", - говорит исследователь Коронас.
|
|
|
|
"Например, - продолжает Коронас, - вода регулирует обмен энергией и молекулами, а также агрегационное состояние белков и нуклеиновых кислот в клетках. Предполагается, что нарушения в этих процессах вызывают серьезные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и боковой амиотрофический склероз. Понимание того, как колебания уровня воды влияют на эти процессы, может стать ключом к поиску методов лечения этих заболеваний".
|
|
|
|
Содействие разработке новых биотехнологий
|
|
|
|
Модель CVF также обладает новыми преимуществами, которые позволяют выполнять расчеты там, где другие модели терпят неудачу либо из-за того, что они слишком сложны в вычислительном отношении, либо из-за того, что они значительно отклоняются от экспериментальных результатов.
|
|
|
|
В области технологического развития некоторые лаборатории разрабатывают биотехнологии для замены мышц (механических приводов), которые используют преимущества квантовых взаимодействий воды; мемристоры на водной основе для создания запоминающих устройств (с емкостью в миллионы раз большей, чем у современных) или применение графеновых губок, которые отделяют воду от других материалов. примеси образуются из-за колебаний плотности воды в нанопорах.
|
|
|
|
Это также имеет значение для понимания физики воды. "Эта модель может воспроизвести свойства жидкой воды практически при любых температурах и давлениях, существующих на нашей планете, хотя в экстремальных условиях, достигаемых в лабораториях, она отличается", - говорят эксперты.
|
|
|
|
"Это показывает, что эффекты, не включенные в модель, — ядерные квантовые эффекты — также важны при таких экстремальных давлениях и температурах. Таким образом, ограничения модели указывают нам, что нужно улучшить, чтобы прийти к окончательной формулировке модели", - заключают они.
|
|
|
|
Источник
|
