Per decenni, i campi della fisica e della chimica hanno sostenuto che gli atomi e le molecole che compongono il mondo naturale definiscono il carattere della materia solida. I cristalli di sale ottengono la loro qualità cristallina dal legame ionico tra ioni sodio e cloruro, metalli come ferro o rame ottengono la loro forza dai legami metallici tra atomi di ferro o rame e le gomme ottengono la loro elasticità dai legami flessibili all’interno dei polimeri che costituiscono la gomma. Lo stesso principio vale per materiali come funghi, batteri e legno.
O così va la storia.
Un nuovo documento pubblicato oggi in Natura ribalta quel paradigma e sostiene che il carattere di molti materiali biologici è in realtà creato dall’acqua che permea questi materiali. L’acqua dà origine a un solido e va a definire le proprietà di quel solido, pur mantenendo le sue caratteristiche liquide. Nel loro articolo, gli autori raggruppano questi e altri materiali in una nuova classe di materia che chiamano “solidi di idratazione”, che dicono “acquisiscono la loro rigidità strutturale, la caratteristica distintiva dello stato solido, dal fluido che permea i loro pori”. La nuova comprensione della materia biologica può aiutare a rispondere a domande che hanno perseguitato gli scienziati per anni.
“Penso che questo sia un momento davvero speciale per la scienza”, ha detto Ozgur Sahin, professore di scienze biologiche e fisica e uno degli autori dell’articolo. “Sta unificando qualcosa di incredibilmente vario e complesso con una semplice spiegazione. È una grande sorpresa, un piacere intellettuale”.
Steven G. Harrellson, che ha recentemente completato gli studi di dottorato nel dipartimento di fisica della Columbia ed è un autore dello studio, ha usato la metafora di un edificio per descrivere la scoperta del team: “Se pensi a materiali biologici come un grattacielo, i mattoni molecolari sono i telai in acciaio che li sostengono, e l’acqua tra i blocchi molecolari è l’aria all’interno dei telai in acciaio. Abbiamo scoperto che alcuni grattacieli non sono sostenuti dai loro telai in acciaio, ma dall’aria all’interno di quei telai”.
“Questa idea può sembrare difficile da credere, ma risolve i misteri e aiuta a prevedere l’esistenza di fenomeni eccitanti nei materiali”, ha aggiunto Sahin.
Quando l’acqua è nella sua forma liquida, le sue molecole raggiungono un sottile equilibrio tra ordine e disordine. Ma quando le molecole che formano i materiali biologici si combinano con l’acqua, fanno pendere la bilancia verso l’ordine: l’acqua vuole tornare al suo stato originale. Di conseguenza, le molecole d’acqua spingono via le molecole della materia biologica. Quella forza di spinta, chiamata forza di idratazione, è stata identificata negli anni ’70, ma si pensava che il suo impatto sulla materia biologica fosse limitato. L’argomentazione di questo nuovo articolo secondo cui la forza di idratazione è ciò che definisce quasi interamente il carattere della materia biologica, incluso quanto sia morbida o dura, è quindi una sorpresa.
Sappiamo da tempo che i materiali biologici assorbono l’umidità ambientale. Pensa, ad esempio, a una porta di legno, che si espande durante un periodo umido. Questa ricerca, tuttavia, mostra che l’acqua ambientale è molto più centrale per il carattere di legno, funghi, piante e altri materiali naturali di quanto avessimo mai saputo.
Il team ha scoperto che portare l’acqua in primo piano e al centro ha permesso loro di descrivere le caratteristiche che i materiali organici familiari mostrano con una matematica molto semplice. I modelli precedenti di come l’acqua interagisce con la materia organica hanno richiesto simulazioni al computer avanzate per prevedere le proprietà del materiale. La semplicità delle formule che il team ha trovato può prevedere queste proprietà suggerisce che ci sono qualcosa.
Per fare un esempio, il team ha scoperto che la semplice equazione E=Al/λ descrive chiaramente come cambia l’elasticità di un materiale in base a fattori quali umidità, temperatura e dimensione della molecola. (E in questa equazione si fa riferimento all’elasticità di un materiale; UN è un fattore che dipende dalla temperatura e dall’umidità dell’ambiente; l è la dimensione approssimativa delle molecole biologiche e λ è la distanza oltre la quale le forze di idratazione perdono la loro forza).
“Più abbiamo lavorato a questo progetto, più semplici sono diventate le risposte”, ha detto Harrellson, aggiungendo che l’esperienza “è molto rara nella scienza”.
Le nuove scoperte sono emerse dalla ricerca in corso del professor Sahin sullo strano comportamento delle spore, cellule batteriche dormienti. Per anni, Sahin ei suoi studenti hanno studiato le spore per capire perché si espandono con forza quando viene aggiunta acqua e si contraggono quando l’acqua viene rimossa. (Diversi anni fa, Sahin e colleghi hanno raccolto copertura mediatica per sfruttare quella capacità di creare piccoli congegni simili a motori alimentati da spore.)
Intorno al 2012, Sahin ha deciso di fare un passo indietro per chiedersi perché le spore si comportano in quel modo. A lui si unirono i ricercatori Michael S. DeLay e Xi Chen, autori del nuovo articolo, che allora erano membri del suo laboratorio. I loro esperimenti non hanno fornito una soluzione al misterioso comportamento delle spore. “Siamo finiti con più misteri rispetto a quando abbiamo iniziato”, ricorda Sahin. Erano bloccati, ma i misteri che incontravano suggerivano che c’era qualcosa che valeva la pena perseguire.
Dopo anni di riflessione su potenziali spiegazioni, a Sahin venne in mente che i misteri che la squadra incontrava continuamente potevano essere spiegati se la forza di idratazione governasse il modo in cui l’acqua si muoveva nelle spore.
Il team ha dovuto fare più esperimenti per testare l’idea. Nel 2018, Harrellson, che ora è un ingegnere del software presso la società di analisi dei dati Palantir, si è unito al progetto.
“Quando inizialmente abbiamo affrontato il progetto, sembrava incredibilmente complicato. Stavamo cercando di spiegare diversi effetti, ciascuno con la propria formula insoddisfacente. Una volta che abbiamo iniziato a utilizzare le forze di idratazione, ognuna delle vecchie formule poteva essere rimossa. Quando solo l’idratazione le forze erano rimaste, sembrava che i nostri piedi finalmente toccassero terra. È stato incredibile e un enorme sollievo; le cose avevano un senso “, ha detto.
I risultati di quegli esperimenti hanno portato il team e i loro collaboratori a questo articolo. Oltre a Harrellson, DeLay, Chen e Sahin, gli altri autori dell’articolo sono Ahmet-Hamdi Cavusoglu, Jonathan Dworkin e Howard A. Stone. Adam Driks della Loyola University Chicago, che ha anche contribuito alla ricerca, è deceduto prima del completamento dei lavori. Il finanziamento per la ricerca è stato fornito dall’Office of Science and Basic Energy Sciences del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti; dall’Office of Naval Research; dai National Institutes of Health; e dal programma David e Lucile Packard Fellows.
I risultati del documento si applicano a enormi quantità di mondo che ci circonda: i materiali biologici igroscopici, ovvero materiali biologici che consentono all’acqua di entrare e uscire da essi, costituiscono potenzialmente dal 50% al 90% del mondo vivente che ci circonda, inclusi tutti del legno del mondo, ma anche altri materiali familiari come bambù, cotone, pigne, lana, capelli, unghie, granelli di polline nelle piante, la pelle esterna degli animali e spore batteriche e fungine che aiutano questi organismi a sopravvivere e riprodursi.
Il termine coniato nel documento, “solidi di idratazione”, si applica a qualsiasi materiale naturale che risponda all’umidità ambientale circostante. Con le equazioni identificate dal team, loro e altri ricercatori possono ora prevedere le proprietà meccaniche dei materiali dai principi fisici di base. Finora ciò valeva principalmente per i gas, grazie alla ben nota equazione generale dei gas, nota agli scienziati sin dal 19th secolo.
“Quando facciamo una passeggiata nei boschi, pensiamo agli alberi e alle piante intorno a noi come solidi tipici. Questa ricerca mostra che dovremmo davvero pensare a quegli alberi e piante come torri d’acqua che tengono al loro posto zuccheri e proteine”, ha detto Sahin. : “È davvero il mondo dell’acqua.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com
