Nuova visione della scienza che sembra, sulla sua superficie, estremamente semplice, ciò che accade quando si aggiunge sale all'acqua, potrebbe in definitiva portare a una migliore comprensione dei processi biochimici nelle cellule e forse a far avanzare le fonti di energia pulita.

Un articolo pubblicato su Journal of Physical Chemistry Letters su tale argomento all'inizio del 2017 ha suscitato notevole interesse, secondo gli editori della rivista.

"Una delle domande che ha sconcertato i ricercatori per decenni è fino a che punto gli ioni influenzano la struttura dell'acqua salina, lo stesso tipo di soluzioni che sono presenti nei nostri corpi, " disse Giulia Galli, un professore della famiglia Liew in ingegneria molecolare presso l'Università di Chicago. Un punto di vista popolare è che gli ioni hanno un effetto locale sulla struttura dell'acqua, causando la formazione o la rottura di legami idrogeno solo vicino allo ione. Ma sembra che non sia sempre così.

"La ragione per cui questo problema era ancora aperto è che gli esperimenti non forniscono informazioni dettagliate dirette sulla struttura del liquido a livello molecolare, " ha detto Alex Gaiduk. "Invece, forniscono informazioni medie provenienti dall'intero sistema molecolare, che spesso è difficile da interpretare".

Nel frattempo, le simulazioni molecolari forniscono informazioni di prima mano sulla struttura molecolare del liquido e possono far luce sull'influenza degli ioni sulla struttura dell'acqua. Determinato a rispondere a queste domande, Gaiduk e Galli si sono rivolti all'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), un DOE Office of Science User Facility in grado di eseguire simulazioni che richiedono enormi capacità di calcolo, da 10 a 100 volte più potenti di quelle dei sistemi tipicamente utilizzati per la ricerca scientifica.

Gaiduk e Galli usarono l'ALCF per simulare il cloruro di sodio nell'acqua, e raccolto grandi quantità di dati. Hanno analizzato i risultati e hanno scoperto che lo ione sodio ha effettivamente solo un effetto locale sulla struttura dell'acqua, mentre lo ione cloro ha un effetto più ampio, modificando la struttura dell'acqua almeno fino a un nanometro di distanza dallo ione. (Un nanometro è un miliardesimo di metro.)

"Abbiamo fornito importanti informazioni sulla struttura dell'acqua in presenza di sali disciolti, vale a dire che alcuni ioni, compreso il cloruro, hanno un effetto a lungo raggio mentre altri, come il sodio, non, " Gaiduk ha detto. "Abbiamo utilizzato metodi di simulazione non empirici e una scelta piuttosto sofisticata delle firme molecolari della struttura dell'acqua".

La ricerca fornisce una nuova comprensione fondamentale del cloruro di sodio nell'acqua. Questo è uno dei sistemi acquosi utilizzati nelle celle fotoelettrochimiche. Queste cellule sono utilizzate per scindere l'acqua in idrogeno e ossigeno, una tecnologia che ha un potenziale a lungo termine come fonte di energia pulita. Saranno necessarie ulteriori ricerche per determinare come questa nuova comprensione potrebbe essere utilizzata per migliorare la tecnologia, disse Galli.

La loro scoperta potrebbe anche rivelarsi preziosa per la biochimica su diversi fronti.

"Processi come il ripiegamento delle proteine, la cristallizzazione e la solubilità sono al centro di tutti i processi biologici e biochimici che definiscono essenzialmente la vita, " disse Gaiduk, aggiungendo che questa scoperta può contribuire a spiegare la solubilità delle proteine. "Gli scienziati possono ora forse sviluppare nuovi modelli computazionali per descrivere i processi biochimici nelle cellule, e questo potrebbe portare allo sviluppo di nuovi farmaci".

Però, gli autori hanno concluso che le sottili modificazioni della struttura dell'acqua da parte degli ioni, anche il cloro, sono probabilmente insufficienti a spiegare la diversa solubilità delle biomolecole nell'acqua pura e in quella salata. Chiaramente i ricercatori hanno più lavoro da fare prima di poter comprendere appieno e modellare le interazioni degli ioni con i gruppi funzionali delle proteine. Però, questa tecnica per analizzare la rete di legami idrogeno dell'acqua è un primo passo per aiutare gli scienziati a capire come cambia la struttura dell'acqua con l'aggiunta di sale.

Utilizzando i risultati ottenuti da Gaiduk e Galli, un altro gruppo di ricerca ha sviluppato un nuovo modello che descrive correttamente l'effetto degli ioni sulla struttura dell'acqua. I loro risultati sono dettagliati nel 31 agosto, numero 2017 del Journal of Physical Chemistry B .