Энергетика, природные ресурсы, инженерные системы

Информационный портал ТЕПЛОКАРТА
  • Главная
    • Главная

      • Твердотопливные котлы и печи, камины
      • Системы отопления и охлаждения
      • Альтернативная энергия
      • Водоснабжение и водоотведение
      • Вентиляция и кондиционирование
      • Оборудование и материалы
      • Энергоэффективность и энергосбережение
      • Природные ресурсы, экология и строительство
      • Ядерная энергетика
      • Новости, обзоры, события
      • Исследования
  • Указатель терминов
  • Облако тегов
  • О портале
    • О портале

      • Разместить статью
Фото: Трехмерная модель новой липидной мезофазы. Это сочетание регулярно повторяющегося кубического рисунка. Предоставлено: Peter Rüegg/ETH Zürich
Фото: Трехмерная модель новой липидной мезофазы. Это сочетание регулярно повторяющегося кубического рисунка. Предоставлено: Peter Rüegg/ETH Zürich

Вода в нанометровых каналах, которая никогда не замерзнет

Водоснабжение и водоотведение

Опубликовано: 13.02.2020

Обновлено: 04.11.2020

 1048

Мягкий биоматериал, образованный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными и максимизирует ее взаимодействие с гидрофильными частями

Может ли вода достичь минус 263 градусов по Цельсию и не превратиться в лед? Да, может, говорят исследователи из ETHZ (Швейцарской высшей технической школы Цюриха) и Университета Цюриха, если она ограничена липидными каналами нанометрового размера.

Изготовление кубиков льда - это простой процесс: необходимо взять пластиковый лоток, который можно найти почти в каждом хозяйстве, наполнить его водой и поместить в морозильник. Вскоре вода кристаллизуется и превратится в лед.

Если проанализировать структуру кристаллов льда, можно увидеть, что молекулы воды расположены в виде правильных трехмерных решетчатых структур. В жидкой воде, напротив, молекулы не организованы, что служит причиной ее текучести.

Стекловидная вода

Исследователи выявили необычный способ предотвращения образования кристаллов льда в воде и добились того, что даже при экстремальных минусовых температурах она сохраняет аморфную форму, характерную для ее жидкого состояния.

На первом этапе был разработан и синтезирован новый класс липидов (молекул жира) для создания новой формы «мягкой» биологической субстанции, известной как липидная мезофаза. В этом материале липиды самопроизвольно собираются и агрегируют, образуя мембраны, ведущие себя так же, как молекулы натурального жира.

Эти мембраны затем принимают равномерное расположение для формирования сети связанных каналов, имеющих диаметр менее одного нанометра. Температура и количество воды, а также новая конструкция липидных молекул определяют структуру, которую принимает липидная мезофаза.

Для кристаллов воды не хватает места

Особенностью является то, что, в отличие от лотка для кубиков, в узких каналах липидной структуры нет места для формирования ледяных кристаллов, поэтому она остается текучей даже при экстремальных минусовых температурах. Сами липиды также не замерзают.

Используя жидкий гелий, исследователи смогли охладить липидную мезофазу, состоящую из химически модифицированного моноацилглицерина, до температуры минус 263 градуса по Цельсию, что всего на 10 градусов выше абсолютной нулевой температуры, и при этом кристаллы льда не сформировались.

При этой температуре вода стала похожей на жидкое стекло. Исследование необычного поведения воды опубликовано в журнале Nature Nanotechnology [1].

«Ключевым фактором стало соотношение количества липидов и воды». Именно содержание воды в смеси определяет температуры, при которых изменяется геометрия мезофазы. Если, например, смесь содержит 12 процентов воды по объему, то при температуре около минус 15 °С структура мезофазы будет меняться от кубического лабиринта к пластинчатой структуре.

Натуральный «антифриз» для бактерий

«Что делает разработку этих липидов настолько сложной, так это их синтез и очистка». Потому что молекулы липидов состоят из двух частей: гидрофобной, отталкивающей воду, и гидрофильный, притягивающей ее. «Это создает чрезвычайные сложности при работе с ними».

Мягкий биоматериал, образованный из липидных мембран и воды, имеет сложную структуру, которая сводит к минимуму контакт воды с гидрофобными и максимизирует ее взаимодействие с гидрофильными частями.

Исследователи смоделировали новый класс липидов на мембранах определенных бактерий. Эти бактерии также вырабатывают особый класс самоорганизующихся липидов, которые могут естественным образом ограничивать воду внутри себя, позволяя микроорганизмам выживать в очень холодных условиях.

«Новизна заключается во введении сильно напряженных трехчленных колец в специфические положения внутри гидрофобных частей молекул». «Они обеспечивают необходимую кривизну для образования таких крошечных водяных каналов и предотвращают кристаллизацию воды».

Сохраняя целостность мембран

Эти новые липидные мезофазы главным образом будут служить инструментом для других исследователей. Их можно использовать для неразрушающей изоляции, сохранения и исследования больших биомолекул в среде, имитирующей мембрану, например, с помощью криогенной электронной микроскопии. Биологи все чаще обращаются к этому методу для определения структур и функций крупных биомолекул, таких как белки или крупные молекулярные комплексы.

«В обычном процессе замораживания, когда образуются ледяные кристаллы, они обычно повреждают и разрушают мембраны и важные биомолекулы».

Но этого не будет происходить с новой мезофазой, способной сохранить такие молекулы в их первоначальном состоянии и в присутствии другого ключевого строительного блока, то есть липидов.

«Исследование прокладывает путь для будущих проектов, чтобы определить, как белки могут сохраняться в своей первоначальной форме и взаимодействовать с липидными мембранами при очень низких температурах».

 

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1038/s41565-019-0415-0

 

Источник: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich

0.00%
0 0
 Теги:

Публикации на похожую тему:

Гидравлический расчет системы водоотведения

Гидравлический расчет системы водоотведения

Обновлено: 29.03.2021
 2801
Озонирование для улучшения качества питьевой воды

Озонирование для улучшения качества питьевой воды

Обновлено: 08.12.2019
 1350
Фото: Профессор Сяо Су (слева), аспирант Стивен Котти (в центре) и доктор наук Квионг Ким (Kwiyong Kim) разработали энергоэффективное устройство, которое избирательно поглощает высокотоксичную форму мышьяка в воде и превращает ее в гораздо менее токсичную форму. Photo by Fred Zwicky

Очистка воды от мышьяка энергоэффективными полимерами

Обновлено: 28.07.2020
 1037

Комментарии:

Алексей Поляков

Вода может быть нагрета до плюс 263 гр. Цельсия и при этом испаряться, но не кипеть. И это реализовано в лаборатории на основе натурального цикла Майсоценко, без этих всех липидных каналов нанометрового размера.

Если вы хотите оставить в этой ветке свой комментарий, то, пожалуйста, напишите об этом на странице с контактами

Недавние публикации

Фото: BBQ Gourmet

Инфракрасные горелки в газовых грилях: типы, преимущества, уход

Обновлено: 15.02.2023  265
Звуковые эффекты в зданиях напрямую зависят от материалов, из которых сделаны потолки, стены, двери и другие ограждающие конструкции. Фото: Rockfon

Звукопоглощение, звукоизоляция и фоновый шум в зданиях

Обновлено: 26.07.2022  735
Тепло выделяется из оксида марганца, когда молекулы воды поглощаются слоистой структурой. Ⓒ Norihiko L. Okamoto

Вода усиливает способность материала поглощать и отдавать тепло

Обновлено: 21.04.2022  712

Популярные категории

  • Оборудование и материалы86
  • Водоснабжение и водоотведение23
  • Новости, обзоры, события113
  • Природные ресурсы, экология и строительство91
  • Исследования40

Разместить статью

Портал TEPLOKARTA.RU доступен в Google Play

Ссылки:

  • Контакты
  • Разместить статью
  • Конфиденциальность
VK Telegram

© 2023 Россия. Копировать без ссылки запрещено.  TEPLOKARTA.RU

Отправить сообщение об ошибке?

Ошибка:
Выделите опечатку и нажмите Ctrl + Enter, чтобы отправить сообщение об ошибке.