Ny insikt om vetenskap som verkar, på dess yta, ytterst enkelt – vad som händer när du tillsätter salt till vatten – kan i slutändan leda till en bättre förståelse av biokemiska processer i celler och kanske främja källor till ren energi.

En artikel publicerad i Journal of Physical Chemistry Letters om det ämnet tidigare under 2017 har genererat stort intresse, enligt tidskriftens redaktion.

"En av frågorna som har förbryllat forskare i decennier är hur långt joner påverkar strukturen av saltvatten, samma typ av lösningar som finns i våra kroppar, sade Giulia Galli, en Liew Family professor i molekylär teknik vid University of Chicago. En populär syn är att joner har en lokal effekt på vattnets struktur, orsakar att vätebindningar bildas eller bryts bara nära jonen. Men det verkar inte alltid vara fallet.

"Anledningen till att detta problem fortfarande var öppet är att experiment inte ger direkt detaljerad information om vätskans struktur på molekylär nivå, " sa Alex Gaiduk. "Istället, de ger genomsnittlig information som kommer från hela molekylsystemet, vilket ofta är svårt att tolka."

Under tiden, molekylära simuleringar ger förstahandsinformation om vätskans molekylära struktur och kan belysa jonernas inverkan på vattenstrukturen. Fast besluten att svara på dessa frågor, Gaiduk och Galli vände sig till Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), en DOE Office of Science User Facility som kan utföra simuleringar som kräver enorma beräkningsmöjligheter – 10 till 100 gånger mer kraftfulla än system som vanligtvis används för vetenskaplig forskning.

Gaiduk och Galli använde ALCF för att simulera natriumklorid i vatten, och samlade in stora mängder data. De analyserade resultaten och upptäckte att natriumjonen verkligen bara har en lokal effekt på vattenstrukturen, medan klorjonen har en långtgående effekt, modifiering av vattenstrukturen åtminstone upp till en nanometer bort från jonen. (En nanometer är en miljarddels meter.)

"Vi har tillhandahållit viktig information om strukturen av vatten i närvaro av lösta salter - nämligen att vissa joner, inklusive klorid, har en långtidseffekt medan andra, såsom natrium, låt bli, ", sa Gaiduk. "Vi använde icke-empiriska simuleringsmetoder och ett ganska sofistikerat val av molekylära signaturer för vattenstrukturen."

Forskningen ger en ny grundläggande förståelse för natriumklorid i vatten. Detta är ett av de vattenhaltiga systemen som används i fotoelektrokemiska celler. Dessa celler används för att dela vatten till väte och syre, en teknik som har långsiktig potential som en ren energikälla. Ytterligare forskning kommer att krävas för att avgöra hur denna nya förståelse kan användas för att förbättra tekniken, sa Galli.

Deras fynd kan också visa sig vara värdefullt för biokemin på ett antal fronter.

"Processer som proteinveckning, kristallisation och löslighet är kärnan i alla biologiska och biokemiska processer som i huvudsak definierar liv, sa Gaiduk, och tillägger att detta fynd kan bidra till att förklara proteiners löslighet. "Forskare kan nu kanske utveckla nya beräkningsmodeller för att beskriva biokemiska processer i celler, och detta kan leda till utvecklingen av nya läkemedel."

Dock, författarna drog slutsatsen att de subtila modifieringarna av vattenstrukturen av jonerna – även klor – förmodligen är otillräckliga för att förklara biomolekylernas olika löslighet i rent och saltvatten. Helt klart har forskare mer arbete att göra innan de helt kan förstå och modellera interaktioner mellan joner och de funktionella grupperna av proteiner. Dock, denna teknik för att analysera vattenets vätebindningsnätverk är ett första steg för att hjälpa forskare att förstå hur vattnets struktur förändras med tillsats av salt.

Med hjälp av resultaten från Gaiduk och Galli, en annan forskargrupp har utvecklat en ny modell som korrekt beskriver effekten av joner på vattnets struktur. Deras resultat beskrivs i detalj i den 31 augusti, 2017 års nummer av Journal of Physical Chemistry B .