L’aigua, una molècula essencial per a la vida, presenta unes propietats inusuals —conegudes com a anomalies— que en defineixen el comportament. No obstant això, encara hi ha moltes incògnites sobre els mecanismes moleculars que explicarien les anomalies que fan única la molècula de l’aigua. Desxifrar i reproduir el comportament particular de l’aigua en diferents rangs de temperatures és encara un gran desafiament per a la comunitat científica. Ara un estudi presenta un nou model teòric capaç de superar les limitacions de metodologies anteriors per entendre com es comporta l’aigua en condicions extremes. Giancarlo Franzese i Luis Enrique Coronas, de la Facultat de Física i l’Institut de Nanociència i Nanotecnologia de la UB (IN2UB), lideren el treball, destacat a la portada de la revista
The Journal of Chemical Physics.
La recerca no tan sols amplia la comprensió de la física de l’aigua, sinó que té implicacions en els àmbits de la tecnologia, la biologia i la biomedicina, especialment per abordar el tractament de malalties neurodegeneratives i el desenvolupament de biotecnologies avançades.
El model CVF: comprendre millor la física de l’aigua
La recerca, que deriva de la tesi doctoral de Luis E. Coronas —defensada el 2023 a la Facultat de Física de la UB—, presenta un nou model teòric que respon a les sigles CVF (les inicials dels cognoms dels investigadors Luis E. Coronas, Oriol Vilanova i Giancarlo Franzese). El nou model CVF es caracteritza per ser fiable, eficient, escalable i transferible, i incorpora càlculs quàntics ab initio que reprodueixen amb precisió les propietats termodinàmiques de l’aigua sota diferents condicions.
Mitjançant l’aplicació del nou marc teòric, l’estudi revela que «existeix un punt crític entre dues formes líquides d’aigua, que és l’origen de les anomalies que fan que l’aigua sigui única i essencial per a la vida, així com per a moltes aplicacions tecnològiques», detalla el professor Giancarlo Franzese, de la Secció de Física Estadística del Departament de Física de la Matèria Condensada. «Encara que aquesta conclusió ja s’havia aconseguit en altres models d’aigua, cap té les característiques específiques del model que hem desenvolupat en aquest estudi», prossegueix Franzese.
lguns dels models actuals per explicar les anomalies de l’aigua no són capaços de reproduir adequadament les propietats termodinàmiques de l’aigua, com, per exemple, la compressibilitat i la capacitat calorífica.
El professor Franzese admet que, «no obstant això, el model CVF aconsegueix fer-ho perquè incorpora resultats de càlculs quàntics ab initio sobre interaccions entre molècules. Aquestes interaccions, també conegudes com a interaccions de molts cossos, van més enllà de la física clàssica i es deuen al fet que les molècules d’aigua comparteixen electrons d’una manera difícil de mesurar experimentalment».
Segons l’estudi, «les fluctuacions de densitat, energia i entropia de l’aigua estan regulades per aquestes interaccions quàntiques, amb efectes que van des de l’escala nanomètrica fins a la macroscòpica», detalla l’investigador Luis E. Coronas. «Per exemple, l’aigua regula l’intercanvi d’energia i molècules, així com l’estat d’agregació de proteïnes i àcids nucleics a les cèl·lules. Se sospita que defectes en aquests processos poden causar malalties greus com l’Alzheimer, el Parkinson i l’esclerosi lateral amiotròfica. Per tant, entendre com les fluctuacions de l’aigua contribueixen en aquests processos podria ser clau per trobar tractaments contra aquestes patologies», continua Coronas.
Impulsar el desenvolupament de noves biotecnologies
El model CVF també ofereix nous avantatges, que permeten fer càlculs en què altres models fallen, pel fet que són molt pesats computacionalment o bé perquè es desvien significativament dels resultats experimentals.
En l’àmbit del desenvolupament tecnològic, alguns laboratoris treballen en biotecnologies per reemplaçar músculs (actuadors mecànics) que aprofiten les interaccions quàntiques de l’aigua; memòries a base d’aigua (water-based memristors) per crear dispositius de memòria (amb una capacitat milions de vegades més gran que els habituals), o bé aplicar esponges de grafè que separen l’aigua d’impureses gràcies a les fluctuacions de densitat de l’aigua en nanoporus.
També hi ha implicacions en la comprensió de la física de l’aigua. «Aquest model pot reproduir les propietats de l’aigua líquida en pràcticament totes les temperatures i pressions que hi ha al planeta, encara que es desvia en condicions extremes aconseguides en laboratoris», detallen els experts. «Això demostra que els efectes no inclosos en el model —els efectes quàntics nuclears— també són importants en aquestes pressions i temperatures extremes. Així, les limitacions del model ens guien cap a on cal millorar per arribar a tenir-ne una formulació definitiva», conclouen.