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.
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.
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.
