Сила водородных связей в ограниченной воде: новая эра измерений и прогнозирования

Учёные из Университета Манчестера разработали метод, который впервые позволяет точно измерять силу водородных связей в воде, находящейся в ограниченных пространствах. Эта разработка открывает новые горизонты для медицины, энергетики, моделирования климата, биологии, материаловедения и технологий.
Сила водородных связей в ограниченной воде: новая эра измерений и прогнозирования
Изображение носит иллюстративный характер

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications. Новый метод не только предлагает иной взгляд на природу водородных связей, но и позволяет их количественно оценивать — задача, которая до сих пор считалась крайне сложной.

Водородные связи определяют уникальные свойства воды, такие как высокая температура кипения и поверхностное натяжение, а также лежат в основе ключевых биологических процессов: формирования белковых структур, стабильности ДНК. Однако количественно измерить водородные связи, особенно в сложных или ограниченных системах, долгое время не удавалось.

Работой руководили профессор Артём Мищенко, доктор Цян Ян и доктор Цивэй Ван. Они предложили рассматривать водородные связи как электростатическое взаимодействие между диполями и внешним электрическим полем. Такой подход позволяет напрямую рассчитывать силу водородной связи по данным спектроскопии. "Мы переосмыслили водородные связи, чтобы можно было непосредственно рассчитывать их силу, что было невозможно прежде," — отмечает профессор Мищенко.

Модельной системой для экспериментов послужил минерал гипс (CaSO₄·2H₂O), в котором вода заключена между двухмерными слоями. Исследователи воздействовали на эти молекулы внешними электрическими полями и отслеживали их вибрационный отклик с помощью высокоразрешающей спектроскопии. Такой подход позволил достичь беспрецедентной точности в измерении силы водородных связей.

Используемая техника позволяет не только измерять, но и прогнозировать поведение воды в ранее недоступных для анализа ограниченных средах — достаточно провести простое спектроскопическое измерение, что полностью исключает необходимость в сложных компьютерных симуляциях. "Теперь мы можем предсказывать поведение воды в ограниченных пространствах, что раньше требовало длительных вычислений," — подчёркивает доктор Ян.

Открытие обещает революционизировать ряд прикладных областей. В водоочистке это позволит оптимизировать мембранные материалы, повысить эффективность фильтрации и снизить энергозатраты. В фармацевтике новая методика даст возможность прогнозировать связывание воды с молекулами, что ускорит разработку более растворимых и эффективных лекарств. В климатологии — повысить точность моделирования фазовых переходов воды в облаках и атмосфере. В области хранения энергии — создать материалы с заданными свойствами водородных связей, что может улучшить работу аккумуляторов. В биомедицине — разработать имплантируемые сенсоры с повышенной совместимостью и долговечностью за счёт контролируемого взаимодействия с водой на поверхности устройства.

"Мы создали новый фундамент для понимания и управления водородными связями, что позволит разрабатывать материалы и технологии будущего — от катализаторов до мембран," — подчёркивает доктор Ван, первый автор работы.

Разработанный подход закладывает основу для проектирования новых материалов и устройств, чьи свойства определяются физикой водородных связей. Это открывает путь к созданию катализаторов, мембран и других технологий, чья эффективность напрямую связана с тонкой настройкой водородных взаимодействий.


Новое на сайте

19817В Луксоре нашли стелу с римским императором в образе фараона 19816Экипаж Artemis II о моменте, когда земля исчезла за луной 19815Почему луна выглядит по-разному в разных точках земли? 19814Adobe экстренно закрыла опасную дыру в Acrobat Reader, которую хакеры использовали с... 19813Метеорный поток, рождённый из умирающего астероида 19812Когда робот пишет за тебя прощальную смс 19811Что общего у лунной миссии, толстого попугая, загадочной плащаницы и лекарства от диабета? 19810Какие снимки Artemis II уже стали иконами лунной программы? 19809Кто на самом деле хочет сладкого — вы или ваши бактерии? 19808Как рекламные данные 500 миллионов телефонов оказались в руках спецслужб? 19807Экипаж Artemis II вернулся на землю после десяти дней в космосе 19806Зелёная и коричневая луна: почему геологи Artemis II уже не могут усидеть на месте 19805Эксперты уверены в теплозащитном щите Artemis II, несмотря на проблемы предшественника 19804Выжить внутри торнадо: каково это — когда тебя засасывает в воронку 19803Аляскинские косатки-охотники на млекопитающих замечены у берегов Сиэтла
Ссылка