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

19989Шесть историй, которые умещаются на ладони 19986Как 30 000 аккаунтов Facebook оказались в руках вьетнамских хакеров? 19985LofyGang вернулась: как бразильские хакеры охотятся на геймеров через поддельные читы 19984Автономная проверка защиты: как не отстать от ИИ-атак 19983Взлом Trellix: хакеры добрались до исходного кода одной из ведущих компаний по... 19982Почему почти 3000 монет в норвежском поле перевернули представление о викингах? 19981Как поддельная CAPTCHA опустошает ваш счёт и крадёт криптовалюту? 19980Слежка за каждым шагом: как ИИ превращает государство в машину тотального контроля 19979Как хакеры грабят компании через звонок в «техподдержку» 19978Почему именно Нью-Йорк стал самым уязвимым городом восточного побережья перед... 19977Как одна команда git push открывала доступ к миллионам репозиториев 19976Зачем древние народы убивали ножами и мечами: оружие как основа власти 19975Как Python-бэкдор DEEPDOOR крадёт ваши облачные пароли незаметно? 19974Послание в бутылке: математика невозможного 19973Почему ИИ-инфраструктура стала новой целью хакеров быстрее, чем ждали все?
Ссылка