Undersøgelse af salte i vand, der forårsager røre

Ny indsigt i videnskab, der synes, på dens overflade, meget simpelt – hvad der sker, når du tilføjer salt til vand – kan i sidste ende føre til en bedre forståelse af biokemiske processer i celler og måske fremme kilder til ren energi.

En artikel offentliggjort i Journal of Physical Chemistry Letters om dette emne tidligere i 2017 har skabt stor interesse, ifølge tidsskriftets redaktører.

"Et af de spørgsmål, der har undret forskere i årtier, er, hvor langt ioner påvirker strukturen af ​​saltvand, den samme slags løsninger, som er til stede i vores kroppe, " sagde Giulia Galli, en Liew Family-professor i molekylær ingeniørvidenskab ved University of Chicago. En populær opfattelse er, at ioner har en lokal effekt på vandets struktur, får brintbindinger til at danne eller bryde kun tæt på ionen. Men det lader til, at det ikke altid er tilfældet.

"Grunden til, at dette problem stadig var åbent, er, at eksperimenter ikke giver direkte detaljerede oplysninger om væskens struktur på molekylært niveau, " sagde Alex Gaiduk. "I stedet, de giver gennemsnitlig information, der kommer fra hele det molekylære system, hvilket ofte er svært at fortolke."

I mellemtiden molekylære simuleringer giver førstehåndsinformation om væskens molekylære struktur og kan kaste lys over ionernes indflydelse på vandstrukturen. Fast besluttet på at besvare disse spørgsmål, Gaiduk og Galli henvendte sig til Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en DOE Office of Science-brugerfacilitet, der er i stand til at udføre simuleringer, der kræver massive beregningsevner - 10 til 100 gange stærkere end systemer, der typisk bruges til videnskabelig forskning.

Gaiduk og Galli brugte ALCF til at simulere natriumchlorid i vand, og indsamlede store mængder data. De analyserede resultaterne og opdagede, at natriumionen faktisk kun har en lokal effekt på vandstrukturen, mens klorionen har en vidtrækkende virkning, modificere vandstrukturen mindst op til en nanometer væk fra ionen. (En nanometer er en milliarddel af en meter.)

"Vi har givet vigtige oplysninger om vandets struktur i nærværelse af opløste salte - nemlig at nogle ioner, inklusive klorid, har en langsigtet effekt, mens andre, såsom natrium, lade være med, " sagde Gaiduk. "Vi brugte ikke-empiriske simuleringsmetoder og et ret sofistikeret valg af molekylære signaturer af vandstrukturen."

Forskningen giver en ny grundlæggende forståelse af natriumchlorid i vand. Dette er et af de vandige systemer, der anvendes i fotoelektrokemiske celler. Disse celler bruges til at spalte vand til brint og ilt, en teknologi, der har et langsigtet potentiale som en ren energikilde. Yderligere forskning vil være påkrævet for at bestemme, hvordan denne nye forståelse kan bruges til at forbedre teknologien, sagde Galli.

Deres fund kan også vise sig at være værdifuldt for biokemi på en række fronter.

"Processer som proteinfoldning, krystallisation og opløselighed er kernen i alle biologiske og biokemiske processer, der i bund og grund definerer liv, " sagde Gaiduk, tilføjer, at dette fund kan bidrage til at forklare opløseligheden af ​​proteiner. "Forskere kan nu måske udvikle nye beregningsmodeller til at beskrive biokemiske processer i celler, og dette kan føre til udvikling af nye lægemidler."

Imidlertid, Forfatterne konkluderede, at de subtile modifikationer af vandets struktur af ionerne - selv klor - sandsynligvis er utilstrækkelige til at forklare biomolekylernes forskellige opløselighed i rent og saltvand. Det er klart, at forskere har mere arbejde at gøre, før de fuldt ud kan forstå og modellere interaktioner mellem ioner og de funktionelle grupper af proteiner. Imidlertid, denne teknik til at analysere vandets hydrogenbindingsnetværk er et første skridt til at hjælpe videnskabsmænd med at forstå, hvordan vandets struktur ændres ved tilsætning af salt.

Ved at bruge resultaterne opnået af Gaiduk og Galli, en anden forskergruppe har udviklet en ny model, der korrekt beskriver ioners effekt på vandets struktur. Deres resultater er detaljerede i den 31. august, 2017 udgave af Journal of Physical Chemistry B .