Et gennembrud af forskere ved University of Manchester kaster lys over en af naturens mest undvigende kræfter med vidtrækkende konsekvenser for medicin, energi, klimamodellering og mere. Forskerne har udviklet en metode til præcist at måle styrken af brintbindinger i begrænsede vandsystemer, et fremskridt, der kan omdanne vores forståelse af vandets rolle i biologi, materialevidenskab og teknologi.
Arbejdet, der er offentliggjort i Naturkommunikationintroducerer en grundlæggende ny måde at tænke på en af naturens vigtigste, men vanskelige at kvantificere interaktioner.
Hydrogenbindinger er de usynlige kræfter, der holder vandmolekyler sammen, hvilket giver vand sine unikke egenskaber, fra højt kogepunkt til overfladespænding og muliggør kritiske biologiske funktioner såsom proteinfoldning og DNA -struktur. På trods af deres betydning har kvantificering af brintbindinger i komplekse eller begrænsede miljøer længe været en udfordring.
“I årtier har forskere kæmpet for at måle brintbindingsstyrke med præcision,” sagde professor Artem Mishchenko, der førte undersøgelsen med Dr. Qian Yang og Dr. Ziwei Wang. “Vores tilgang genopfrisker hydrogenbindinger som elektrostatiske interaktioner mellem dipoler og et elektrisk felt, som giver os mulighed for at beregne deres styrke direkte fra spektroskopiske data.”
Holdet brugte gips (caso₄ · 2H₂o), et naturligt forekommende mineral, der indeholder to-dimensionelle lag med krystallinsk vand, som deres modelsystem. Ved at anvende eksterne elektriske felter på vandmolekyler, der er fanget mellem mineralets lag, og spore deres vibrationsrespons ved hjælp af spektroskopi med høj opløsning, var forskerne i stand til at kvantificere hydrogenbinding med en hidtil uset nøjagtighed.
“Det, der er mest spændende, er den forudsigelige kraft i denne teknik,” sagde Dr. Yang. “Med en simpel spektroskopisk måling kan vi forudsige, hvordan vand opfører sig i begrænsede miljøer, der tidligere var vanskelige at undersøge, noget der normalt kræver komplekse simuleringer eller forbliver helt utilgængelige.”
Konsekvenserne er brede og overbevisende. Ved vandrensning kan denne metode hjælpe ingeniører med at finjustere membranmaterialer for at optimere hydrogenbinding, forbedre vandstrømmen og selektiviteten, samtidig med at energiomkostningerne reduceres.
I lægemiddeludvikling tilbyder det en måde at forudsige, hvordan vand binder til molekyler og deres mål, hvilket potentielt fremskynder designet af mere opløselige og effektive lægemidler. Det kunne forbedre klimamodellerne ved at muliggøre mere nøjagtige simuleringer af vandovergange i skyer og atmosfæren.
I energilagring lægger opdagelsen grundlaget for “hydrogenbindingsheterostrukturer”, konstruerede materialer med skræddersyet hydrogenbinding, der dramatisk kunne øge batteriets ydeevne. Og i biomedicin kan resultaterne hjælpe med at skabe implanterbare sensorer med bedre kompatibilitet og længere levetid ved nøjagtigt at kontrollere vandoverfladeinteraktioner.
“Vores arbejde giver en ramme til at forstå og manipulere hydrogenbinding på måder, der ikke var muligt før,” sagde Dr. Wang, første forfatter af papiret. “Det åbner døren til at designe nye materialer og teknologier, fra bedre katalysatorer til smartere membraner, baseret på den skjulte fysik i vand.”