Ионы магния замедляют динамику воды на малых масштабах

May 23, 2023

12 октября 2022 г.

Исследовательской ассоциацией Берлина eV (FVB)

Присутствие ионов влияет на структуру и динамику воды во многих масштабах длины и времени. Новые результаты сверхбыстрой спектроскопии и теоретического анализа показывают, что водное окружение конкретных пар ионов магния и сульфата оказывает решающее влияние на динамику водных растворов.

Жидкая вода, естественная среда для биохимических и клеточных процессов, состоит из сложной сети полярных молекул, соединенных водородными связями. Вода реагирует на присутствие растворенного вещества, изменяя свою локальную структуру. Влияние отрицательно и положительно заряженных ионов на жидкую воду обычно классифицируется с помощью ряда Хофмайстера, в котором ионы ранжируются на основе их способности структурировать воду вокруг себя или разрушать структуру воды.

Микроскопическое происхождение и молекулярные механизмы серии Хоффмайстера являются спорными, несмотря на многолетние исследования. Однако ряд Хоффмайстера имеет большое значение, поскольку характеризует влияние ионов на растворенные в воде биомолекулы.

Недавние эксперименты и моделирование выявили значительно более сложное влияние ионов на динамику окружающих молекул воды. Исследование, опубликованное в журнале ACS Physical Chemistry Au, сочетает в себе спектроскопические эксперименты с углубленным теоретическим анализом молекулярных взаимодействий и динамики.

Исследователи из Института Макса Борна в Берлине, Свободного университета Берлина и Университета Людвига-Максимилиана в Мюнхене использовали асимметричные валентные колебания ионов сульфата (SO42-) в качестве локально чувствительных зондов для картирования динамических свойств окружающей среды. В этом контексте гидратированные сульфат-ионы являются прототипом модельной системы, поскольку они обычно встречаются в минералах и имеют большое значение в физиологии и биохимии.

Чтобы получить информацию о локальной гидратной среде, исследователи использовали экспериментальную технику двумерной инфракрасной спектроскопии в фемтосекундном временном интервале и сравнили поведение сульфат-ионов в присутствии ионов натрия (Na+) или магния (Mg2+) при низкие концентрации ионов.

Они обнаружили, что присутствие ионов Mg2+ уменьшает сверхбыстрые колебания водной оболочки вокруг сульфат-иона, что приводит к специфическому замедлению динамики сольватации гидратированного MgSO4 по сравнению с водными растворами Na2SO4.

Обширное моделирование дает микроскопическое представление наблюдаемой динамики и раскрывает молекулярную картину, в которой замедление динамики воды возникает из-за структурных особенностей пар ионов SO42--Mg2+, которые разделяют молекулы воды в своих гидратных оболочках.

Вопреки распространенному в литературе мнению, описанные эффекты имеют кратковременный характер и ограничиваются первыми 1-2 слоями воды вокруг сульфат-иона. В отличие от серии Хоффмейстера, которая классифицирует влияние типов ионов на структуру воды, новые результаты демонстрируют особую значимость индивидуальной геометрии сольватации конкретных ионных пар для динамики разбавленных водных систем.

Больше информации: Ачинтья Кунду и др., Совместное замедление динамики сольватации воды на близком расстоянии вокруг пар ионов SO42--Mg2+, ACS Physical Chemistry Au (2022). DOI: 10.1021/acsphyschemau.2c00034.

Предоставлено Исследовательской ассоциацией Берлина eV (FVB)