Одни из самых сложных проблем в науке касаются поведения самого распространенного соединения на поверхности планеты - воды. Но некоторые из тайн теперь раскрываются с помощью новейших методов анализа и визуализации в разворачивающейся истории, которая была представлена на недавней конференции, организованной Европейским научным фондом (ESF) и посвященной взаимодействию между водой и другими соединениями на молекулярном уровне.
Некоторые из величайших загадок связаны с взаимодействием между молекулами воды и другими соединениями, когда они сближаются. Эти проблемы не являются чисто академическими, потому что они имеют жизненно важное значение для понимания многих важных процессов и биохимических реакций внутри организмов, некоторые из которых связаны с болезнями человека. Молекулярные свойства воды также имеют большое значение для материаловедения, нанотехнологий и полупроводниковой промышленности.
Основная проблема заключается в том, что на молекулярном уровне поведение воды и особенно взаимодействие с другими веществами чрезвычайно сложно и, соответственно, трудно объяснить в нескольких словах. Прежде чем можно будет использовать некоторые экзотические эффекты, их необходимо полностью понять, а это, в свою очередь, зависит от возможности каким-то образом наблюдать за процессами. По словам председателя конференции Мари-Клэр Беллиссен-Фюнель, основное внимание на конференции ESF было уделено новым методам получения информации о поведении воды на молекулярном уровне в различных обстоятельствах. «Для получения информации о воде на твердых, мягких, паровых, белковых, мембранных и других поверхностях использовались различные методы», - сказала она.
Рентгеновская дифракция высокого разрешения является важным методом анализа молекул воды на границе раздела, наблюдения за тем, как высокоэнергетические рентгеновские лучи рассеиваются в точках взаимодействия. Таким образом можно обнаружить местоположение и ориентацию отдельных молекул воды, и уже многое известно о решающей роли, которую они играют в критических биохимических реакциях, в том числе связанных со стыковкой или взаимодействием между белками. Молекулы воды также играют решающую роль в продвижении ключевых компонентов биологии, таких как ионы металлов, в клетки через проницаемые мембраны, и на конференции были представлены подробности дальнейшего прогресса в понимании вовлеченных процессов. «Понимание таких событий может найти применение в разработке лекарств и конструировании нанофлюидных устройств», - сказал Беллисент-Фюнель.
Такие события можно правильно понять, только проанализировав не только статическую структуру в определенный момент времени, но и динамические изменения с течением времени, и новые методы для этого также обсуждались на конференции ESF, как указала Беллисент-Фунель. вне. В настоящее время это трудно сделать только путем наблюдения, но был достигнут прогресс путем объединения экспериментов с компьютерным моделированием.
Такие симуляции включают в себя описание необычной геометрии молекулы воды, которая является источником всех странных и важных свойств воды. Молекула состоит из атома кислорода и двух атомов водорода, свисающих, как уши Микки Мауса. Это придает молекуле неравномерное распределение электрического заряда, что позволяет ей легко образовывать слабые, но значительные водородные связи как с молекулами воды, так и с другими соединениями.
Компьютерные модели также используются для имитации поведения растворов, в которых водородные связи между молекулами воды и растворенного вещества (растворяемого вещества) предотвращают конгломерацию последнего и, следовательно, выпадение в осадок. Это функция «потенциала взаимодействия» воды, что означает способность или склонность молекул воды образовывать водородные связи с другими молекулами. По словам Беллиссен-Фунеля, возможность моделировать поведение взаимодействий между молекулами воды и растворенных веществ, а не только между молекулами воды, представляет собой важное достижение.
Общая сложность физики поверхности раздела воды была отражена на конференции ESF широтой и глубиной презентаций, а также тем фактом, что ключевые докладчики были приглашены со всего мира, включая США и Японию. Но Беллисент-Фюнель подчеркнула, что Европа имеет растущие силы и успешно привлекает новые таланты в эту динамичную, сложную и чрезвычайно многообещающую область, даже привлекая некоторых из-за пределов континента. «Из кратких статей и плакатов стало ясно, что в этой общей области работает впечатляющий набор молодых исследователей, а также что некоторые из них родом из-за пределов Европы», - сказал Беллисент-Фюнель. Ключевым моментом является то, что эти исследователи по необходимости охватывают ряд дисциплин по всему научному спектру, отражая фундаментальное значение науки о воде.
Конференция «Взаимодействие с водой в физике, химии и биологии, междисциплинарный подход» состоялась в Universitätszentrum Obergurgl в долине Этц, недалеко от Инсбрука, Австрия, в декабре 2007 года.