الدهون الباردة لا شيء: منع تبلور الماء في -263 درجة مئوية

ما هو أكثر على هذا الكوكب؟ ما هو في الجزء العلوي من احتياجاتنا جنبا إلى جنب مع الهواء والغذاء؟ ما ، في رأي إحدى النكات الملتحية ، ما الذي يجعل الشخص يرتبط بخيار؟ الجواب بسيط - الماء. يلعب هذا المركب الكيميائي دورًا رئيسيًا في العديد من المعالجات الكلية والدقيقة: من تغير المناخ إلى التركيب الكيميائي للكائنات الحية. يحتوي H ₂ O على عدد من الخواص الكيميائية والفيزيائية التي يستخدمها العلماء بطريقة أو بأخرى في مختلف المجالات. يؤدي تغيير معلمات معينة إلى ظهور خصائص جديدة أو تغيير في الخصائص القديمة. من سن مبكرة ، يعرف الكثير منا أن الماء في الظروف العادية يغلي عند 100 درجة مئوية ويتجمد عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية. ثم قرر العلماء تغيير ذلك.

سنلتقي بكم اليوم دراسة تمكن العلماء من خلالها من إنتاج ماء لا يتجمد حتى عند درجة حرارة 263 درجة مئوية. ما هي المعالجات التي تم تنفيذها لتحقيق ذلك ، وما هي الخصائص والخصائص الجديدة التي بدأ امتلاكها من الماء السائل "الأبدية" ، وما فائدة هذا البحث؟ سوف نبحث عن إجابات في تقرير مجموعة الأبحاث. دعنا نذهب.

أساس الدراسة

أساس هذا العمل هو عملية منع تبلور الماء في درجات حرارة منخفضة. لهذا ، من الضروري تغيير هندسة الماء ، والتي يمكن أن يساعد فيها "الحبس" المزعوم ، أي الاحتفاظ بها. تساعد هذه الآلية على منع تبلور الجزيئات منخفضة الحرارة في بنية سداسية ، مما ينتج عنه ماء غير متبلور. ودعا العلماء هذا الاحتباس المادي للمياه في التكوين النانوي مستوى النانومتر. يقال أسهل من القيام به ، ولكن العلماء لن يكونوا علماء إذا لم يكن لديهم مثابرة وزوج من ارسالا ساحقا. كانت الآسات عبارة عن دهون اصطناعية مع تعديلات سيكلوبريل في سلاسل مسعورة ، والتي تظهر سلوكًا بلوريًا سائلًا فريدًا عند درجة حرارة منخفضة. هذه الدهون يمكن أن تحافظ على حالة غير متبلورة من الماء تصل إلى -263 درجة مئوية.

كنموذج للمياه المغلقة في بيئة خلوية ، اختار العلماء الحبس داخل واجهات لينة ، مثل تلك التي تشكلت أثناء التنظيم الذاتي للسطحي في وسط مائي. مثل هذا النموذج يمكن أن يساعد في فهم آليات بقاء الخلية في درجات حرارة منخفضة.

يسترعي الباحثون انتباهنا إلى حقيقة أن التأثيرات الأبعاد تظهر في مراحل مختلفة تتشكل بواسطة أحاديات الجلسرين المميتة * في درجات حرارة مختلفة ومستويات مختلفة من الماء * .

Monoacylglycerols * عبارة عن فئة من الجليسريدات التي تتكون من جزيء الجلسرين المرتبط بحمض دهني عبر رابطة استر (استر).

الترطيب * - إضافة إلى جزيئات الماء أو الأيونات.

تحتوي أحاديات الجلسرين على تعدد الأشكال ، أي بنية بلورية مختلفة تبعًا للشروط: الطبقة الصفائحية (L _α ) ، المكعب ثنائي الاتجاه العكسي (Q _II ) ، السداسي العكسي (H _II ) ، المقلوب العكسي (L ₂ ).

تكمن المشكلة في أن هذه المجموعة المتنوعة من الخيارات تضيع عندما يتم الوصول إلى درجات حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة ، عندما تتبلور الطبقة العامة من الدهون في طور رقائقي (L _c ) ، حيث يتم تعبئة ذيول الدهون في شبكة بلورية طويلة المدى. إذا انخفضت درجة الحرارة إلى ما دون الصفر ، فسيتم العثور على التعايش بين المرحلة الصفائحية L _c والجليد في جميع مستويات الترطيب.

اتضح أنه لا يمكنك استخدام هذه الدهون؟ ليس حقا يمكن تغيير الدهون بحيث يمكن تطبيق خصائصها الإيجابية ، وتجنب القيود غير المرغوب فيها. في الدراسات السابقة ، نجح العلماء في استبدال رابطة رابطة الدول المستقلة المزدوجة في منتصف سلسلة الدهون monoolein بمجموعة السيكلوبروبيل. نتيجة لهذا التلاعب ، سيتم الحصول على دهون جديدة - monodihydrosterculin (MDS) ، حيث يوضح سلوك المرحلة عدم وجود المرحلة سداسية عكسية واستقرار مرحلة Q _II ^D في درجات حرارة تصل إلى 4 درجات مئوية.

استنادًا إلى التطورات والنظريات المذكورة أعلاه ، قدم العلماء دراستهم الخاصة ، والتي تصف نوعًا جديدًا من الدهن الذي يشكّل mesophases بخصائص غير قياسية في درجات حرارة منخفضة. الخاصية الأكثر إثارة للدهشة هي القدرة على الاحتفاظ بالمياه الزجاجية في درجات حرارة تصل إلى 10 كلفن وبمعدلات تبريد منخفضة للغاية.

تعدد الأشكال الدهنية

بادئ ذي بدء ، يفسر العلماء بعض الفروق الدقيقة فيما يتعلق بتعدد الأشكال الدهنية. في الطبيعة ، يوجد في الوقت الحالي عدد محدود للغاية من الدهون التي يمكن أن تشكل مراحل Q _II .

توفر سلاسل الشحوم العناصر الأساسية لجميع الميسوفيات. هيكلها الجزيئي ، طول معين ، انحناء ، موقف ودرجة عدم التشبع تؤثر على الطور الأوسط النهائي * .

Mesophase * - حالة المادة بين السائل والصلبة.

إذا استبدلنا رابطة رابطة الدول المستقلة المزدوجة ل monoacylglycerols بجزء cis-cyclopropyl ، فسيتم تقليص انحناء السلسلة وطول الدهون إلى الأصل ، ولكن سيتم تغيير الضغط الكسري والتوتر الجانبي للذيول. ولتغيير صلابة ذيل الدهون ، من الضروري تغيير عدد وموضع مجموعات السيكلوبروبيل ، وكذلك طول وانحناء سلاسل مسعور.

خلال الدراسة ، توليف العلماء ثلاثة شحوم (تظهر الهياكل في 1 أ ): monodihydrosterulin (MDS) ، سيكلوبروبان monolactobacillin lipid (MLB) - تناظرية مونوفاكسين (MV) و DCPML - monolinolein (ML).


الصورة رقم 1

توضح الرسوم البيانية أعلاه نتائج تشتت الأشعة السينية ذات الزاوية الصغيرة (MRI): مخطط الطور لتكوين ودرجة حرارة عينة MLB ( 1b ) ، مخطط الطور لتكوين ودرجة حرارة عينة DCPML ( 1c ).

استنادا إلى الملاحظات ، فإن MLB المائي له تسلسل انتقالي ، كما هو الحال في أحاديات الجلسرين الكلاسيكية ( 1b ) ، حيث يتم ملاحظة L _α و Q _II G و Q _II ^D مع زيادة مستوى الماء. على عكس MDS ، فإن المرحلة H _II موجودة في MLB عند درجة حرارة عالية.

كان من الممكن معرفة أن المرحلة H _II والمرحلة التكعيبية Q _II ^D تظل مستقرة فوق الماء. مكنت هذه الملاحظة من تحديد درجة ترطيب الحدود لكلتا المرحلتين من خلال تحليل معلمات الشبكة في كل مستوى ترطيب.

في حالة دهون DCPML ، لاحظ العلماء ظاهرة غير عادية - وهي تكوين مرحلة مكعب Q _II ^G عند 22 درجة مئوية مع محتوى مائي لا يتجاوز 5 ٪ ( 1s ).

وقد أظهرت الدراسات السابقة أن تكوين H _{II مع} أحادي الجلسرين النقي المائي لا يمكن تحقيقه إلا في درجات حرارة عالية (أعلى من درجة حرارة الغرفة). تتطلب مراحل H _II الثابتة في الغرفة ودرجات الحرارة الفسيولوجية (.6 36.6 درجة مئوية) استخدام جزيئات مسعور أو وجود إثير بدلاً من رابطة استر.

يشير تشكيل المرحلة _{الثانية من} H في درجة حرارة الغرفة إلى حدوث تحول في مخطط طور DCPML إلى درجات حرارة منخفضة وترطيب ، وهو ما تم تأكيده في هذه الدراسة.

تم تبريد عينة DCPML مع 12.5٪ من الماء تدريجياً لأول مرة إلى -20 درجة مئوية ، ثم تسخينها مرة أخرى إلى 22 درجة مئوية. في نهاية كل مرحلة من مراحل التبريد والتدفئة ، كان النظام متوازناً ، كما تم جمع بيانات MPP ( 2a ).


الصورة رقم 2

يحدث انتقال المرحلة من L _α إلى Q _II ^G في نطاق درجة الحرارة − 15 ... −10 ° C خلال كل من إجراءات التدفئة والتبريد. كما تم الكشف عن تشكيل مرحلة جديدة مستقرة للدهون مكعب في درجات حرارة منخفضة. عند تسخينه ، ينخفض ​​نصف قطر قناة الماء في طور Q _II ^G - من 8.4 درجة مئوية إلى -10 درجة مئوية إلى 7.8 درجة مئوية عند 22 درجة مئوية.

نتيجة لذلك ، تلقى العلماء مرحلة مكعبية ثابتة تمامًا Q _II ^G في درجات حرارة تحت الصفر. تتناقض هذه الملاحظة مع الحقائق المقبولة عمومًا وهي أن الدهون (على سبيل المثال ، monoolein) تشكل أطوارًا مكعبة ، تتبلور في طور بلوري رقائقي والجليد عند درجات حرارة تقل عن 0 درجة مئوية.

خصائص وسلوك المياه

تشير الطبيعة البلورية السائلة لـ DCPML في درجات حرارة منخفضة إلى الخصائص غير القياسية للمياه الموجودة في القنوات النانوية. يمكن معالجة حجم المناطق المائية (اللوحات أو القنوات) عن طريق تغيير نسبة الماء / الدهون. تمت دراسة التحولات الذوبان باستخدام قياسات المسعر التفاضلي (DSC) للقياسات المتوسطة في مستويات الترطيب المختلفة ( 2 ب ).

خضعت عينات DCPML للمعالجة الحرارية الدورية (التدفئة - التبريد - التدفئة) من −70 درجة مئوية إلى 60 درجة مئوية مع معدل مسح 5 درجات مئوية في الدقيقة. ما نراه في الرسم البياني 2b تم الحصول عليه خلال عملية التسخين الثانية. عند تركيز الماء بنسبة 20 و 25٪ في العينة ، تكون ذروة ذوبان الجليد ظاهرة عند درجة حرارة 0 مئوية ، وهو أمر نموذجي للمياه النقية (بدون إضافة الدهون). إذا زادت نسبة الماء ، تبدأ هذه الذروة في الانخفاض (15٪ من الماء) ، ثم تختفي تمامًا (5٪ و 10٪ من الماء). الاستنتاج واضح للغاية - الحبس في المرحلتين L _α و Q _II ^G عند مستوى منخفض من الماء يمنع تبلور الماء عند معدل تبريد مدروس.

أيضًا ، في الرسم البياني 2 ب ، يمكن رؤية القمم الصغيرة في درجات حرارة عالية ، والتي تتوافق مع التحولات بين الأشكال الهندسية المختلفة وتتوافق مع نتائج MPP ( 1c ). يمكن تفسير الاختلافات في درجة حرارة الانتقال بعدة درجات بمعدلات التسخين المختلفة ، وبالتالي ، موازنة أوقات مختلفة. بالطبع ، لا ينبغي لأحد أن ينسى الخطأ (1.5 ٪) ، والذي يعتمد على تكوين عينات مختلفة.

يلاحظ العلماء أن تكوين الجليد موجود في ML عند درجات حرارة تصل إلى -60 درجة مئوية ، في حين يتم الحفاظ على الحالة غير المتبلورة في DCPML. هذا يشير إلى أن الحبس وحده لا يمكن أن يمنع التبلور ، لكنه يعمل جنبًا إلى جنب مع سلوك البلورات السائلة للدهون لتحقيق ذلك.

بعد ذلك ، تم تبريد العينات إلى -263 درجة مئوية بمعدل 0.1 درجة مئوية في الدقيقة ، متوازنة ثم تسخينها بنفس السرعة. في الصورتين 2 ج و 2 د ، نرى نتائج قياسات FWS أثناء التسخين ، والتي تظهر عدم وجود انتقال من الدرجة الأولى في DCPML مع انخفاض محتوى الماء. اختار العلماء عينة تحتوي على محتوى مائي بنسبة 7.5 ٪ لضمان هندسة موحدة في نطاق درجة الحرارة بأكمله تحت الصفر.

لا تظهر ملامح FWS في الرسوم البيانية 2 ج و 2 د أي قفزات في المنطقة من 0 درجة مئوية ، على الرغم من ملاحظة زيادة في الحركة عند درجة حرارة حوالي -50 درجة مئوية. يلاحظ العلماء أن الطور المتوسط ​​الذي تم الحصول عليه من ML التجاري بدلاً من DCPML مع نفس الطوبولوجيا والمحتوى المائي يظهر درجة انصهار عند درجة حرارة حوالي -10 درجة مئوية (القمم في المدرج في 2s و 2 d ). يظهر DCPML عند 15 ٪ من المياه في العينة قفزة ، والتي تتوافق مع ذوبان الجليد عند درجة حرارة حوالي -10 درجة مئوية. ومع ذلك ، وفقًا لبيانات DSC ، تكون كثافة الانتقال في هذه الحالة أقل كثيرًا ، أي أن جزءًا فقط من الماء متورط في تكوين الجليد. وعدم وجود قفزة للانتقال الدهون الشحمية يؤكد عدم وجود المرحلة البلورية L _ج في DCPML.

وأظهرت التجارب التي أجريت على حيود الأشعة السينية عريضة الزاوية (WAXS) في درجات حرارة منخفضة الهيكل السداسي للجليد في العينات التي تحتوي على ترطيب بنسبة 20 ٪ و 25 ( 2E ) ، وكذلك عدم وجود تبلور في منطقة WAXS لعينات أخرى. تؤكد بيانات الملاحظة مرة أخرى الطبيعة البلورية السائلة للمرحلة الصفائحية (L _α ) وغياب الجليد البلوري عند الترطيب المنخفض.

أخيرًا ، استخدم العلماء أيضًا التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي لدراسة حركة الماء وسلوك الطور ( 2f ). بالنسبة للعينة التي تحتوي على 7.5٪ ماء ، تم الوصول إلى حد الكشف عند 0 درجة مئوية ، مما يشير إلى أن معامل الانتشار أقل من ^10-11 م ² / ثانية. ولعينة مع نشر 10 ٪ لوحظ إلى -11 درجة مئوية.

وبالتالي ، فإن الاعتماد على درجة الحرارة شبه الخطية للنشر يؤكد الحالة السائلة للمياه في نطاق درجة الحرارة المدروسة ، وتؤكد المعلومات الإضافية التي تم الحصول عليها من تحليلات FWS و DSC انتقال المياه من السائل إلى الزجاج في درجات حرارة منخفضة.


الصورة رقم 3

قام العلماء بدمج جميع البيانات التي تم جمعها وتمكنوا من تكوين رسم تخطيطي للمرحلة من المياه الموجودة في mesophases DCPML ( 3a ).

تجدر الإشارة إلى أن العمليات والخصائص التي تمت ملاحظتها ترتبط ارتباطًا وثيقًا بالميزات التي تميز DCPML عن جميع أحاديات الجلسرين الأحادية المعروفة الأخرى ، أي التحول العام في تحولات الطور نحو درجات حرارة منخفضة وترطيب ، بالإضافة إلى عدم وجود L _c حتى في درجات الحرارة المنخفضة للغاية.

تُظهر الصورة 3b نتائج قياسات MPR لهندسة الدهون ، متراكبة فوق مخطط الطور المائي ( 3a ). أثناء الترطيب ، يلاحظ الانتقال العكسي L _α → Q _II ^G → L _α في نطاق درجة الحرارة من -10 درجة مئوية إلى 0 درجة مئوية. من المثير للاهتمام أن وجود الماء السائل في درجات حرارة تحت الصفر يرتبط باستقرار المرحلة المكعبة Q _II ^G. ومع انخفاض الترطيب أثناء التبريد ، يمنع مزيج اضطراب الدهون وتقييد الطور الهندسي L _α تكوين الجليد في أي درجة حرارة.

في حالة زيادة درجة الماء ، سيتم ملاحظة تكوين الجليد سداسي. أظهرت الملاحظات أنه مع ترطيب 20٪ وتبريد العينة إلى -30 درجة مئوية ، تكون طور Q _II ^G مستقرًا لعدة ساعات ، مع عدم اكتشاف أي جليد. يحدث الانتقال إلى المرحلة L _α بعد حضانة العينة لمدة ساعة عند درجة حرارة -40 درجة مئوية ، وهنا لوحظ بالفعل تكوين الجليد. عند تسخينه من -40 درجة مئوية ، تظل المرحلة L _α ثابتة حتى 0 درجة مئوية. بين -40 ... -20 درجة مئوية ، تُظهر المعلمة شعرية α النقص المتوقع (من 39.2 Å إلى 38.4 Å) ، وهو نموذجي للميزات المتوسطة. ولكن بالفعل في حدود -20 ... -10 درجة مئوية ، فإن الوضع معكوس: زيادة من 38.4 Å إلى 39.2 Å ، والتي ترتبط عادة بزيادة ترطيب طبقة ثنائية الشحوم.

بالإضافة إلى جميع الملاحظات والقياسات وأساليب المسح المختلفة ، استخدم العلماء أيضًا نمذجة الديناميات الجزيئية لتأكيد نتائج الدراسة.


الصورة رقم 4

يدرك الباحثون جيدًا أن نتائج مثل هذه المحاكاة تعتمد بشدة على مجموعة كاملة من المتغيرات: التفاعل بين جزيئات الماء والدهون ، وانتقال الدهون الدهنية ، وعتبة الانتقال إلى الحالة الزجاجية ، إلخ. ومع ذلك ، يجادلون بأن نتائج النمذجة الخاصة بهم تتفق تماما مع الملاحظات.

يوضح الشكل 4 أ نموذج الديناميكيات الجزيئية لدرجة حرارة انصهار الطور المتوسط ​​في ترطيب 54.3٪. في الوسط ، نرى تكوين البداية ، المملوء جزئيًا بالجليد (الكرات البيضاء) والماء السائل (الكرات الزرقاء). يظهر التكوين النهائي أسفل نقطة الانصهار على اليسار. وعلى اليمين - فوق نقطة الانصهار. الصف العلوي هو نظام خالٍ من الدهون ، وهو الجزء السفلي ذو الدهون (الكرات البرتقالية). الصور 4 ب هي عرض تقديمي للمياه المغلقة في المرحلة المكعبة Q _II ^G مع الماء بنسبة 54.3 ٪ ، للتكوين الأولي (في الوسط) والتكوين النهائي أدناه (يسار) وفوق درجة حرارة الانصهار (يمين). بدوره ، يوضح الرسم البياني 4c التطور الزمني للمياه فوق (الخط الأحمر) وتحت نقطة انصهار (الخط الأسود).

يلاحظ الباحثون أنه مع انخفاض نسبة الترطيب ، يتبع النظام السلوك "القياسي" ، أي أنه ينتقل من البنية المكعبة إلى البنية الصفائحية ( 4d ). عند التبريد ، تمر مرحلة Q _II ^G إلى L _α ، مما يدل على انخفاض مفاجئ في حركة المياه ( 4e ). التنقل أقل يعني أن النظام يحتاج إلى مزيد من الوقت لتحقيق التوازن. في هذا الوضع ، تعبر عملية التبريد خط الانصهار بعد أن يكون الانتشار صعبًا بالفعل ، أي قبل بلورة الماء ، ونتيجة لذلك نلاحظ المياه الزجاجية.

للتعرف أكثر تفصيلاً على الفروق الدقيقة في الدراسة ، أوصي بشدة أن تنظر في تقرير العلماء .

خاتمة

لقد اعتاد العلماء على توسيع حدود رؤيتنا للعالم ، وفهم العمليات والظواهر المختلفة. بعض الدراسات هي نقطة الانطلاق للتكنولوجيات المستقبلية والاكتشافات الجديدة ، وبعضها مجرد طعام للفضول. ينتمي اليوم إلى الفئة الأولى. إن فهم سلوك أهم عنصرين في الحياة (الماء والدهون) في درجات حرارة منخفضة للغاية يمكن أن يساعد في تطوير طرق جديدة لتشخيص وتحليل المواد الحيوية التي يصعب أو حتى من المستحيل تحليلها في درجات حرارة الغرفة بسبب عدم استقرارها. يتحدث العلماء أيضًا عن احتمال حدوث تغييرات في الخلايا الحية ، أي تعديلها في الأداء الطبيعي في درجات حرارة منخفضة للغاية. بعبارة أخرى ، إذا نظرنا إلى طائرات قصور قصور الشرايين (−50 درجة مئوية وتحت) والطائرات النفسية (to50 إلى 0 درجة مئوية) كخيارات ممكنة للاستعمار ، فإن هذه الدراسة هي خطوة صغيرة في الطريق إلى هذا.

شكرا لك على اهتمامك ، ابقَ فضوليًا ولديك أسبوع عمل جيدًا يا شباب

شكرا لك على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ تريد أن ترى المزيد من المواد المثيرة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية به لأصدقائك ، خصم 30٪ لمستخدمي Habr على تناظرية فريدة من خوادم الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة حول VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1 جيجابت في الثانية من 20 $ أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر خيارات مع RAID1 و RAID10 ، ما يصل إلى 24 مركزًا وما يصل إلى 40 جيجابايت من ذاكرة DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 مراكز) 10GB DDR4 240GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية حتى الصيف مجانًا عند الدفع لمدة ستة أشهر ، يمكنك طلب هنا .

ديل R730xd 2 مرات أرخص؟ لدينا فقط 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD بسرعة 1 جيجابت في الثانية 100 TV من 249 دولارًا في هولندا والولايات المتحدة الأمريكية! اقرأ عن كيفية بناء البنية التحتية فئة باستخدام خوادم V4 R730xd E5-2650d تكلف 9000 يورو عن بنس واحد؟