Обычная мудрость и природное чутье льда говорят нам, что вода замерзает при 0°C, но что, если вы добавите немного творческой науки в смесь? Исследователи из Швейцарии нашли способ снизить температуру воды до очень прохладной -263°C, не замораживая ее, открывая некоторые интересные возможности для изучения молекулярных структур при экстремальных температурах.
Вода превращается в лед, поскольку она охлаждается до нуля градусов, и молекулы на поверхности начинают кристаллизоваться и превращаться в лед, и это распространяется на соседние молекулы и продолжается до тех пор, пока вся масса воды не замерзнет. В этой форме молекулы воды организованы в трехмерную решетчатую структуру, которая сильно отличается от неорганизованного состояния регулярных молекул воды, которое позволяет ей свободно течь.
А что, если вода может быть охлаждена до температуры ниже нуля без образования ледяных кристаллов, которые придают ей такую прочность? Физики и химики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Цюрихского университета придумали новый способ сделать это, и он основан на биологическом веществе нового типа, которое они назвали липидной мезофазой. Внутри него находятся молекулы, которые ведут себя почти так же, как молекулы натурального жира, или липиды, и они скапливаются и самостоятельно собираются в мембраны.
Затем эти мембраны образуют сеть микроскопических каналов шириной менее нанометра, и для потенциальных кристаллов льда просто нет места для формирования. Это означает, что при добавлении воды в структуру она остается в беспорядочном, текучем состоянии даже при охлаждении до экстремальных температур.
Липиды образуют сети каналов, которые окружают воду, видимую в светло-голубом цвете. Фото: Livia Salvati Manni / ETH Zurich
Чтобы увидеть, как далеко они могут зайти, исследователи взяли немного жидкого гелия и охладили свою липидную мезофазную структуру до холода -263°C, который, как они отмечают, всего на 10°C выше абсолютного нуля, и без признаков этих подлых кристаллов льда. Это имеет свои последствия, помимо того, что это просто крутой научный эксперимент, поскольку это может помочь нам получить новое понимание того, как материя ведет себя при таких экстремальных температурах.
«В обычном процессе замораживания, когда образуются ледяные кристаллы, они обычно повреждают и разрушают мембраны и важные биомолекулы, что не позволяет нам определять их структуру и функцию при взаимодействии с липидными мембранами», - объясняет профессор Раффаэле Мецценга (Raffaele Mezzenga) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
Это та самая дилемма, которая побудила аналогичное направление исследований в Массачусетской больнице общего профиля в прошлом году, когда ученые придумали новую технику переохлаждения, которая запечатывает поверхность воды маслом на углеводородной основе. Это предотвратило попадание воды в воздух, где образуются первые кристаллы льда, и позволило им хранить образец жидкой воды при -20°C.
Трехмерная модель липидной мезофазы. Фото: Peter Rüegg / ETH Zurich
Такая работа открывает важные возможности для других исследователей, стремящихся по-разному понять структуры и функции природных молекул. Она также может найти применение в сценариях, где было бы полезно предотвратить замерзание воды, а взлетно-посадочные полосы в аэропорту - один из примеров, который можно вспомнить.
«Но наша работа не была направлена на экзотические приложения», - говорит Мецценга. «Нашей основной задачей было дать исследователям новый инструмент для облегчения изучения молекулярных структур при низких температурах без ледяных кристаллов, и, в конечном счете, для понимания того, как два основных компонента жизни, а именно вода и липиды, взаимодействуют в экстремальных условиях температуры и геометрических ограничениях».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.
Источник: New Atlas / ETH Zurich
