Las moléculas de agua definen los materiales que nos rodean.

O eso dice la historia.

Un nuevo artículo publicado hoy en Naturaleza cambia ese paradigma y sostiene que el carácter de muchos materiales biológicos en realidad es creado por el agua que impregna estos materiales. El agua da lugar a un sólido y pasa a definir las propiedades de ese sólido, manteniendo al mismo tiempo sus características líquidas. En su artículo, los autores agrupan estos y otros materiales en una nueva clase de materia a la que llaman 'sólidos de hidratación', que, según dicen, 'adquieren su rigidez estructural, la característica definitoria del estado sólido, del fluido que los impregna'. poros.' La nueva comprensión de la materia biológica puede ayudar a responder preguntas que han perseguido a los científicos durante años.

'Creo que este es un momento realmente especial en la ciencia', dijo Ozgur Sahin, profesor de Ciencias Biológicas y Física y uno de los autores del artículo. 'Está unificando algo increíblemente diverso y complejo con una explicación sencilla. Es una gran sorpresa, un deleite intelectual'.

Steven G. Harrellson, que recientemente completó sus estudios de doctorado en el departamento de física de Columbia y es uno de los autores del estudio, utilizó la metáfora de un edificio para describir el hallazgo del equipo: 'Si piensas en materiales biológicos como un rascacielos, el edificio molecular Los bloques son los marcos de acero que los sostienen, y el agua entre los bloques de construcción moleculares es el aire dentro de los marcos de acero. Descubrimos que algunos rascacielos no se sostienen sobre sus marcos de acero, sino por el aire dentro de esos marcos.

'Esta idea puede parecer difícil de creer, pero resuelve misterios y ayuda a predecir la existencia de fenómenos interesantes en los materiales', añadió Sahin.

Cuando el agua está en forma líquida, sus moléculas logran un delicado equilibrio entre orden y desorden. Pero cuando las moléculas que forman los materiales biológicos se combinan con el agua, inclinan la balanza hacia el orden: el agua quiere volver a su estado original. Como resultado, las moléculas de agua alejan a las moléculas de materia biológica. Esa fuerza de empuje, llamada fuerza de hidratación, fue identificada en la década de 1970, pero se pensaba que su impacto sobre la materia biológica era limitado. Por lo tanto, resulta sorprendente el argumento de este nuevo artículo de que la fuerza de hidratación es lo que define casi por completo el carácter de la materia biológica, incluido lo blanda o dura que es.

Hace tiempo que sabemos que los materiales biológicos absorben la humedad ambiental. Piense, por ejemplo, en una puerta de madera que se expande durante un período de humedad. Esta investigación, sin embargo, muestra que el agua ambiental es mucho más importante de lo que jamás habíamos conocido para el carácter de la madera, los hongos, las plantas y otros materiales naturales.

El equipo descubrió que llevar agua al frente y al centro les permitió describir las características que muestran los materiales orgánicos familiares con matemáticas muy simples. Los modelos anteriores de cómo interactúa el agua con la materia orgánica han requerido simulaciones informáticas avanzadas para predecir las propiedades del material. La simplicidad de las fórmulas que el equipo encontró para predecir estas propiedades sugiere que están en lo cierto.

Por poner un ejemplo, el equipo descubrió que la ecuación simple E=Al/λ Describe claramente cómo cambia la elasticidad de un material en función de factores que incluyen la humedad, la temperatura y el tamaño de la molécula. (E en esta ecuación se refiere a la elasticidad de un material; A es un factor que depende de la temperatura y humedad del ambiente; l es el tamaño aproximado de las moléculas biológicas y λ es la distancia sobre la cual las fuerzas de hidratación pierden su fuerza).

'Cuanto más trabajábamos en este proyecto, más simples se volvían las respuestas', dijo Harrellson, añadiendo que la experiencia 'es muy poco común en la ciencia'.

Los nuevos hallazgos surgieron de la investigación en curso del profesor Sahin sobre el extraño comportamiento de las esporas, células bacterianas latentes. Durante años, Sahin y sus estudiantes han estudiado las esporas para comprender por qué se expanden con fuerza cuando se les agrega agua y se contraen cuando se les quita agua. (Hace varios años, Sahin y sus colegas obtuvieron cobertura mediática por aprovechar esa capacidad para crear pequeños artilugios similares a motores impulsados ​​por esporas).

Alrededor de 2012, Sahin decidió dar un paso atrás y preguntarse por qué las esporas se comportan como lo hacen. Se le unieron los investigadores Michael S. DeLay y Xi Chen, autores del nuevo artículo, que entonces eran miembros de su laboratorio. Sus experimentos no proporcionaron una solución al misterioso comportamiento de las esporas. 'Terminamos con más misterios que cuando empezamos', recuerda Sahin. Estaban estancados, pero los misterios que encontraron insinuaban que había algo que valía la pena seguir.

Después de años de reflexionar sobre posibles explicaciones, a Sahin se le ocurrió que los misterios que el equipo encontraba continuamente podrían explicarse si la fuerza de hidratación gobernara la forma en que el agua se movía en las esporas.

El equipo tuvo que hacer más experimentos para probar la idea. En 2018, Harrellson, que ahora es ingeniero de software en la empresa de análisis de datos Palantir, se unió al proyecto.

'Cuando abordamos inicialmente el proyecto, parecía increíblemente complicado. Estábamos tratando de explicar varios efectos diferentes, cada uno con su propia fórmula insatisfactoria. Una vez que comenzamos a usar las fuerzas de hidratación, pudimos eliminar cada una de las fórmulas antiguas. Cuando quedaron fuerzas de hidratación, sentimos que nuestros pies finalmente tocaban el suelo. Fue increíble y todo tuvo sentido', dijo.

Los resultados de esos experimentos llevaron al equipo y a sus colaboradores a escribir este artículo. Además de Harrellson, DeLay, Chen y Sahin, los otros autores del artículo son Ahmet-Hamdi Cavusoglu, Jonathan Dworkin y Howard A. Stone. Adam Driks de la Universidad Loyola de Chicago, quien también contribuyó con la investigación, falleció antes de completar el trabajo. La financiación para la investigación fue proporcionada por la Oficina de Ciencias y Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE.UU.; por la Oficina de Investigaciones Navales; por los Institutos Nacionales de Salud; y por el Programa de becarios David y Lucile Packard.

Los hallazgos del artículo se aplican a grandes cantidades del mundo que nos rodea: los materiales biológicos higroscópicos, es decir, materiales biológicos que permiten que el agua entre y salga de ellos, constituyen potencialmente entre el 50% y el 90% del mundo vivo que nos rodea, incluidos todos. de la madera del mundo, sino también otros materiales familiares como el bambú, el algodón, las piñas, la lana, el cabello, las uñas, los granos de polen de las plantas, la piel exterior de los animales y las esporas de bacterias y hongos que ayudan a estos organismos a sobrevivir y reproducir.

El término acuñado en el artículo, 'sólidos de hidratación', se aplica a cualquier material natural que responda a la humedad ambiental que lo rodea. Con las ecuaciones que identificó el equipo, ellos y otros investigadores ahora pueden predecir las propiedades mecánicas de los materiales a partir de principios básicos de la física. Hasta ahora esto se aplicaba principalmente a los gases, gracias a la conocida ecuación general de los gases, que los científicos conocen desde el siglo XIX.^th siglo.

'Cuando damos un paseo por el bosque, pensamos en los árboles y plantas que nos rodean como sólidos típicos. Esta investigación muestra que realmente deberíamos pensar en esos árboles y plantas como torres de agua que contienen azúcares y proteínas en su lugar', Sahin dijo: 'Es realmente el mundo del agua'.