Nieuw inzicht in de wetenschap dat lijkt, op het oppervlak, buitengewoon eenvoudig - wat er gebeurt als je zout aan water toevoegt - zou uiteindelijk kunnen leiden tot een beter begrip van biochemische processen in cellen en misschien tot betere bronnen van schone energie.

Een artikel gepubliceerd in de Journal of Physical Chemistry Letters over dat onderwerp eerder in 2017 veel belangstelling heeft gewekt, aldus de redactie van het tijdschrift.

"Een van de vragen die onderzoekers al tientallen jaren bezighoudt, is in hoeverre ionen de structuur van zout water beïnvloeden, dezelfde soort oplossingen die aanwezig zijn in ons lichaam, " zei Giulia Galli, een Liew Family-professor in moleculaire engineering aan de Universiteit van Chicago. Een populaire opvatting is dat ionen een lokaal effect hebben op de structuur van water, waardoor waterstofbruggen zich alleen dicht bij het ion vormen of breken. Maar het lijkt erop dat dat niet altijd het geval is.

"De reden dat dit probleem nog openstond, is dat experimenten geen directe gedetailleerde informatie geven over de structuur van de vloeistof op moleculair niveau, " zei Alex Gaiduk. "In plaats daarvan, ze leveren gemiddelde informatie afkomstig van het hele moleculaire systeem, die vaak moeilijk te interpreteren is."

In de tussentijd, moleculaire simulaties geven informatie uit de eerste hand over de moleculaire structuur van de vloeistof en kunnen licht werpen op de invloed van ionen op de waterstructuur. Vastbesloten deze vragen te beantwoorden, Gaiduk en Galli wendden zich tot de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), een DOE Office of Science User Facility die simulaties kan uitvoeren waarvoor enorme rekencapaciteiten nodig zijn - 10 tot 100 keer krachtiger dan die van systemen die doorgaans worden gebruikt voor wetenschappelijk onderzoek.

Gaiduk en Galli gebruikten de ALCF om natriumchloride in water te simuleren, en verzamelde grote hoeveelheden gegevens. Ze analyseerden de resultaten en ontdekten dat het natriumion inderdaad alleen een lokaal effect heeft op de waterstructuur, terwijl het chloorion een verdergaande werking heeft, het modificeren van de waterstructuur op ten minste een nanometer afstand van het ion. (Een nanometer is een miljardste van een meter.)

"We hebben belangrijke informatie verschaft over de structuur van water in aanwezigheid van opgeloste zouten, namelijk dat sommige ionen, inclusief chloride, hebben een effect op de lange termijn, terwijl andere, zoals natrium, Niet doen, " Gaiduk zei. "We gebruikten niet-empirische simulatiemethoden en een nogal geavanceerde keuze van moleculaire handtekeningen van de waterstructuur."

Het onderzoek biedt een nieuw fundamenteel begrip van natriumchloride in water. Dit is een van de waterige systemen die in foto-elektrochemische cellen worden gebruikt. Deze cellen worden gebruikt om water te splitsen in waterstof en zuurstof, een technologie die op lange termijn potentieel heeft als schone energiebron. Aanvullend onderzoek zal nodig zijn om te bepalen hoe dit nieuwe begrip kan worden gebruikt om de technologie te verbeteren, zei Galli.

Hun bevinding zou ook op een aantal fronten waardevol kunnen zijn voor de biochemie.

"Processen zoals het vouwen van eiwitten, kristallisatie en oplosbaarheid vormen de kern van alle biologische en biochemische processen die het leven in wezen definiëren, " zei Gaiduk, eraan toevoegend dat deze bevinding kan bijdragen aan het verklaren van de oplosbaarheid van eiwitten. "Wetenschappers kunnen nu misschien nieuwe rekenmodellen ontwikkelen om biochemische processen in cellen te beschrijven, en dit zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe medicijnen."

Echter, de auteurs concludeerden dat de subtiele modificaties van de structuur van water door de ionen - zelfs chloor - waarschijnlijk onvoldoende zijn om de verschillende oplosbaarheid van biomoleculen in zuiver en zout water te verklaren. Het is duidelijk dat onderzoekers meer werk te doen hebben voordat ze de interacties van ionen met de functionele groepen van eiwitten volledig kunnen begrijpen en modelleren. Echter, deze techniek voor het analyseren van het waterstofbrugnetwerk van water is een eerste stap om wetenschappers te helpen begrijpen hoe de structuur van water verandert door de toevoeging van zout.

Met behulp van de resultaten verkregen door Gaiduk en Galli, een andere onderzoeksgroep heeft een nieuw model ontwikkeld dat het effect van ionen op de structuur van water correct beschrijft. Hun bevindingen worden gedetailleerd beschreven in de 31 augustus, 2017 nummer van de Journal of Physical Chemistry B .