آبی که هرگز یخ نمی بندد

آیا آب بدون یخ شدن می تواند منفی 263 درجه سلسیوس باشد؟

محققان می گویند اگر بتواند در کانال های لیپیدی در مقیاس نانومتری محدود شود، می توان آن را بکار برد.

 

 

مدل سه بعدی از مؤلفه لیپید مازوفاز: این متیل مکعبی به طور مرتب در مواد تکرار می شود.

 

ساخت مکعب های یخی یک فرآیند ساده است, شما یک سینی یخ مکعبی پلاستیکی پیدا می کنید همانطور که در بیشتر خانوارها پیدا می کنید, آن را با آب پر کنید و آن را در فریزر قرار دهید. قبل از مدت طولانی، آب کریستال می شود و به یخ تبدیل می شود.

 

اگر شما به تجزیه و تحلیل ساختار کریستال یخ دقت کنید، می بینید که مولکول های آب در سازه های منظم 3 بعدی ساخته شده اند.

در مقابل در آب, مولکول ها غیر سازمانی می باشند، به همین دلیل است که آب جریان دارد .

 

آب شیشه ای

 

به رهبری پروفسور Raffaele Mezzenga و Ehud Landau، گروهی از فیزیکدانان و شیمیدانان ETH Zurich و دانشگاه Zurich اکنون روش غیر معمولی را برای جلوگیری از ایجاد کریستالهای یخ شناسایی کرده اند، بنابراین حتی در دمای بسیار پایین  زیر صفر، ویژگی های غیرمستقیم یک مایع حفظ می شود .

در مرحله اول، محققان یک کلاس جدید از لیپید ها (مولکول های چربی) را برای ایجاد یک فرم جدید از مواد بیولوژیکی "نرم" شناخته شده به عنوان mesophase لیپییدی طراحی و تولید کردند.

در این ماده، لیپید ها به خودی خود جمع می شوند و به صورت غشایی شکل می گیرند، رفتار مشابه با مولکول چربی طبیعی. سپس این غشاها یک ترتیب یکنواخت را برای تشکیل یک شبکه کانال های متصل که کمتر از یک نانومتر قطر را تشکیل می دهند، اتخاذ می کنند. دما و محتوای آب، و همچنین ساختار جدید مولکول های  طراحی شده چربی ساختاری که mesophase لیپید را می گیرد, تعیین می کند.

 

فضای کریستال آب وجود ندارد

 

آنچه در مورد این ساختار بسیار ویژه است این است که - بر خلاف یک سینی یخ مکعبی – فضایی در کانال های باریک برای آب برای تشکیل کریستال های یخ وجود ندارد، بنابراین حتی در دمای بسیار پایین زیر صفر نیز اختلال باقی می ماند. لیپید ها هم منجمد نمی شوند.

با استفاده از هلیوم مایع، محققان توانستند یک مزوفاز لیپیدی که شامل یک مونوآسیلیک گلیسرول اصلاح شده شیمیایی به دمای پایین منفی 263 درجه سلسیوس، ایجاد کنند. که تنها 10 درجه بالاتر از دمای مطلق صفر است و هنوز هیچ کریستال یخی شکل نگرفته است. در این دما، آب  "شیشه ای" شد، بطوری که محققان قادر به نشان دادن و تایید در شبیه سازی شدند.

مطالعات انجام شده در مورد این رفتار غیر معمول آب در محدوده ی مازوآپوز لیپییدی، اخیرا در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.

پروفسور Raffaele Mezzenga از آزمایشگاه مواد غذایی و مواد نرم در ETH Zurich می گوید : فاکتور کلیدی نسبت لیپیدها به آب است.

 

ضد یخ طبیعی برای باکتری ها

 

Ehud Landau، استاد شیمی در دانشگاه زوریخ می گوید: چیزی که باعث توسعه این لیپیدها می شود, پیچیدگی سنتز و تصفیه  آنها است. او توضیح می دهد که این به این دلیل است که مولکول های چربی دو بخش دارند. یکی از آن هیدروفوب است (آب را دفع می کند) و یک هیدروفیل (آب را جذب می کند). این باعث می شود که آنها با دقت کار کنند.

بیومتریک نرم که از غشاهای چرب و آب تشکیل شده است دارای ساختار پیچیده ای است که تماس آب را با قطعات هیدروفوب به حداقل می رساند و رابط آن را با قطعات هیدروفیلی به حداکثر می رساند.

محققان کلاس جدیدی از چربیها را روی غشاهای باکتریهای خاص مدلسازی کردند. این باکتری ها همچنین یک کلاس ویژه از چربی های خودمراقبتی تولید می کنند که می توانند آب را به طور طبیعی در داخل خود محدود کنند و میکروارگانیسم ها را در محیط های بسیار سرد زنده نگه دارند.

 Landau می گوید: نوآوری چربی های ما معرفی زنجیره های سه عضو بسیار محکم به موقعیت های خاص در قسمت های هیدروفوبیکی مولکول ها است. اینها انحنای لازم را برای تولید چنین کانال های کوچک آب فراهم می کنند و مانع از تشکیل لیپیدها می شوند.

 

موضوع نرم افزاری برای تحقیق

 

این مازوفازهای لیپیدی جدید به عنوان ابزار دیگری برای محققان دیگر مورد استفاده قرار می گیرد. آنها می توانند برای جدا سازی غیر مخرب، حفظ و مطالعه زیست مولکول های بزرگ در یک محیط تقلید شده غشائی، به عنوان مثال با استفاده از میکروسکوپ الکترونی کریوژنیک,  مورد استفاده قرار گیرند. زیست شناسان به طور فزاینده ای به این روش منحرف می شوند تا ساختارها و عملکردهای بیومولکول های بزرگ مانند پروتئین یا مجتمع های مولکولی بزرگ را تعیین کنند.

 

Mezzenga می گوید: در فرآیند انجماد نرمال، زمانی که کریستال یخ شکل می گیرد، معمولا غشاها و بیومولکول های حیاتی وسیعی آسیب می بینند واز بین می روند که باعث جلوگیری ما از تشخیص ساختار و عملکرد آنها در هنگام فعل و انفعال  با غشاهای چربی می شوند.

پروفسور ETH می گوید: تحقیقات ما راه را برای پروژه های آینده به منظور تعیین نحوه حفظ پروتئین ها در شکل اصلی خود و در ارتباط با غشاهای چربی در دماهای بسیار پایین راه می اندازند.

 

 

منابع

Materials provided by ETH ZurichNote: Content may be edited for style and length

 

Livia Salvati Manni, Salvatore Assenza, Michael Duss, Jijo J. Vallooran, Fanni Juranyi, Simon Jurt, Oliver Zerbe, Ehud M. Landau, Raffaele Mezzenga. Soft biomimetic nanoconfinement promotes amorphous water over iceNature Nanotechnology, 2019; DOI: 10.1038/s41565-019-0415-0