Voda, molekul neophodan za život, ima neobična svojstva – poznata kao anomalije – koja definišu njeno ponašanje. Međutim, još uvek postoje mnoge enigme o molekularnim mehanizmima koji bi objasnili anomalije koje čine molekul vode jedinstvenim. Dešifrovanje i reprodukcija ovakvog ponašanja vode u različitim temperaturnim rasponima i dalje je veliki izazov za naučnu zajednicu.
Sada, studija predstavlja novi teorijski model sposoban da prevaziđe ograničenja prethodnih metodologija da bi se razumelo kako se voda ponaša u ekstremnim uslovima. Rad, koji se nalazi na naslovnoj strani časopisa The Journal of Chemical Phisics, vode Đankarlo Franzeze i Luis Enrike Koronas, sa Fakulteta za fiziku i Instituta za nanonauku i nanotehnologiju Univerziteta u Barseloni (IN2UB).
Studija ne samo da proširuje naše razumevanje fizike vode, već ima i implikacije na tehnologiju, biologiju i biomedicinu, posebno na lečenje neurodegenerativnih bolesti i razvoj naprednih biotehnologija.
Studija, koja proizilazi iz doktorske teze koju je Coronas predstavio 2023. godine na Fizičkom fakultetu UB, pokazuje novi teorijski model koji odgovara na akronim CVF (početna slova prezimena istraživača Coronas, Oriol Vilanova i Giancarlo Franzese ). Novi CVF model je pouzdan, efikasan, skalabilan i prenosiv, i uključuje ab initio kvantne proračune koji precizno reprodukuju termodinamička svojstva vode u različitim uslovima.
Primenom novog teorijskog okvira, studija otkriva da „postoji kritična tačka između dva tečna oblika vode, a ova kritična tačka je poreklo anomalija koje vodu čine jedinstvenom i neophodnom za život, kao i za mnoge tehnološke primene. “, kaže profesor Giancarlo Franzese, iz Odseka za statističku fiziku Odeljenja za fiziku kondenzovane materije.
„Iako je ovaj zaključak već postignut u drugim modelima vode, nijedan od njih nema specifične karakteristike modela koji smo razvili u ovoj studiji“, kaže Franzese.
„Međutim, CVF model to čini jer uključuje rezultate početnih kvantnih proračuna interakcija između molekula. Ove interakcije, poznate kao problemi sa više tela, prevazilaze klasičnu fiziku i nastaju zbog činjenice da molekuli vode dele elektrone na način da teško je eksperimentalno izmeriti“, kaže Franzeze.
Prema studiji, „fluktuacije u gustini, energiji i entropiji u vodi su regulisane ovim kvantnim interakcijama, sa efektima u rasponu od nanometarske do makroskopske skale“, kaže istraživač Koronas.
„Na primer“, nastavlja Koronas, „voda reguliše razmenu energije i molekula, kao i stanje agregacije proteina i nukleinskih kiselina u ćelijama. Sumnja se da defekti u ovim procesima izazivaju ozbiljne bolesti kao što su Alchajmerova, Parkinsonova i amiotrofična bolest. lateralna skleroza, razumevanje kako fluktuacije vode doprinose ovim procesima može biti ključno za pronalaženje tretmana za ove bolesti.
CVF model takođe nudi nove prednosti koje omogućavaju izvođenje proračuna tamo gde drugi modeli ne uspeju, bilo zato što su računski preteški ili zato što značajno odstupaju od eksperimentalnih rezultata.
U oblasti tehnološkog razvoja, neke laboratorije razvijaju biotehnologije da zamene mišiće (mehaničke aktuatore) koji koriste prednosti kvantnih interakcija vode; memristori na bazi vode za kreiranje memorijskih uređaja (sa kapacitetom milionima puta većim od postojećih), ili primena grafenskih sunđera koji odvajaju vodu od nečistoća zahvaljujući fluktuacijama gustine vode u nanoporama.
Takođe postoje implikacije za razumevanje fizike vode. „Ovaj model može da reprodukuje svojstva vode u tečnom stanju na gotovo svim temperaturama i pritiscima koji se nalaze na našoj planeti, iako odstupa u ekstremnim uslovima postignutim u laboratorijama“, kažu stručnjaci.
„Ovo pokazuje da su efekti koji nisu uključeni u model – nuklearni kvantni efekti – takođe važni pri ovim ekstremnim pritiscima i temperaturama. Stoga nas ograničenja modela vode gde da se poboljšamo kako bismo došli do definitivne formulacije modela“, zaključuju.
