Czy woda może osiągnąć minus 263 stopnie Celsjusza bez zamienienia się w lód? Udowodnili to naukowcy z Politechniki Federalnej w Zurychu oraz z Uniwersytetu w Zurychu, którzy opracowali nowy sposób zapobiegania tworzeniu się kryształów lodu w wodzie.
Jak zrobić kostki lodu wie każde dziecko. Wystarczy wlać do pojemników wodę i włożyć do zamrażalki. Wkrótce woda krystalizuje i zamienia się w lód. Ale jeśliby przeanalizować strukturę kryształów lodu, można zaobserwować, że cząsteczki wody są ułożone w regularne trójwymiarowe struktury. Natomiast w wodzie cząsteczki są niezorganizowane, co powoduje, że woda jest płynna.
Prowadzona przez profesorów Raffaele Mezzengę i Ehuda Landaua grupa fizyków i chemików z Politechniki Federalnej i Uniwersytetu w Zurychu zidentyfikowała sposób zapobiegania tworzeniu się kryształów lodu w wodzie. Wyniki badań naukowców ukazały się na łamach „Nature Nanotechnology”.
Naukowcy znają około 20 różnych odmian molekularnych lodu. Niektóre są tak rzadkie, że mogą istnieć jedynie w symulacjach komputerowych lub na odległych planetach. To dlatego, że woda może zamarzać w ciało stałe na wiele różnych sposobów. Ale jej krystalizacja nie jest nieunikniona. W ubiegłym roku szwedzkim naukowcom udało się schodzić wodę do temperatury minus 45 stopni Celsjusza bez uformowania się lodu. Jednak ich szwajcarscy koledzy poszli znacznie dalej. W nowym eksperymencie naukowcy z Zurychu byli w stanie stworzyć wodę, która nie zamieniała się w lód nawet w temperaturze minus 263 stopni Celsjusza.
Badacze zaprojektowali i zsyntetyzowali nową klasę lipidów (cząsteczek tłuszczu), które tworzą miękki materiał biologiczny. Określili go mianem mezofazy lipidowej. W tym materiale lipidy samoistnie gromadzą się tworząc błony, które zachowują się w podobny sposób jak naturalne cząsteczki tłuszczu. Membrany te przyjmują jednolity układ, tworząc sieć połączonych kanałów o średnicy mniejszej niż jeden nanometr.
Cechą szczególną tej struktury jest to, że w wąskich kanałach nie ma miejsca, aby woda tworzyła kryształy lodu, więc pozostaje nieuporządkowana nawet w ekstremalnie niskich temperaturach. Lipidy też nie zamarzają.
Schłodzenie wody do tak ekstremalnych temperatur bez tworzenia się lodu było możliwe dzięki nowej klasie lipidów. Ich cząsteczki mają zarówno części hydrofobowe – odpychające wodę, jak i hydrofilowe – przyciągające wodę. Miękki biomateriał utworzony z membran lipidowych i wody ma złożoną strukturę, która minimalizuje kontakt wody z częściami hydrofobowymi i maksymalizuje z częściami hydrofilowymi. – Umożliwiają one konieczną krzywiznę, aby wytworzyć tak małe kanały wodne i zapobiec krystalizacji lipidów – wyjaśnił Ehud Landau z Uniwersytetu w Zurychu.
Naukowcy modelowali nową klasę lipidów na błonach niektórych bakterii. Bakterie te wytwarzają specjalną klasę samoorganizujących się lipidów, umożliwiając mikroorganizmom przetrwanie w bardzo zimnych środowiskach.
Opracowana technika może służyć przede wszystkim jako narzędzie dla innych badaczy. Można ją wykorzystać do zachowania substancji na bazie białka bez jej uszkodzenia, utrzymując ją w oryginalnej postaci w bardzo niskich temperaturach.
– Naszym głównym celem było dostarczenie naukowcom nowego narzędzia ułatwiającego badanie struktur molekularnych w niskiej temperaturze bez kryształów lodu, a ostatecznie zrozumienie, jak dwa główne składniki życia, woda i lipidy, oddziałują w ekstremalnych warunkach – powiedział Raffaele Mezzenga z Politechniki Federalnej w Zurychu.
Źródło i fot.: ETH Zurich
