L'acqua che non diventa mai ghiaccio
Esiste un'acqua che non congela in ghiaccio nemmeno a meno 263 gradi Celsius? Sì, esiste, dicono i ricercatori del Fare ricerca all'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo. E cioè quando viene "intrappolata" in canali di lipidi dello spessore di pochi nanometri.
Preparare i cubetti di ghiaccio è semplice: si prende uno stampo di plastica per cubetti di ghiaccio, come quelli che si trovano nella maggior parte delle case, lo si riempie d'acqua e lo si mette nello scomparto del congelatore. Non ci vuole molto perché l'acqua si cristallizzi e si trasformi in ghiaccio.
Se si analizzasse la struttura cristallina del ghiaccio, si vedrebbe che le molecole d'acqua sono disposte in strutture reticolari tridimensionali regolari. Nell'acqua, invece, le molecole sono disorganizzate e questo è il motivo per cui l'acqua scorre.
L'acqua allo stato di vetro
I chimici e i fisici dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Zurigo, guidati dai professori Raffaele Mezzenga ed Ehud Landau, hanno ora trovato un modo insolito per impedire all'acqua di formare cristalli di ghiaccio anche alle temperature più basse, mantenendo così il suo stato disordinato.
I ricercatori hanno innanzitutto progettato e sintetizzato una nuova classe di lipidi (molecole di grasso), creando così un nuovo tipo di materiale "morbido". In questa cosiddetta mesofase lipidica, i lipidi si organizzano automaticamente e si assemblano in membrane in modo simile alle molecole di grasso naturali. Queste si dispongono in forme regolari, ad esempio come una rete di canali reticolati di diametro inferiore a un nanometro. La temperatura, il contenuto di acqua e la nuova struttura delle molecole lipidiche determinano la struttura adottata dalla mesofase lipidica.
Non c'è spazio per i cristalli d'acqua
Il trucco sta nel fatto che nei canali stretti non c'è spazio per la cristallizzazione; a differenza della forma del cubetto di ghiaccio, l'acqua non può cristallizzare nemmeno alle temperature più basse. Anche i lipidi non si congelano.
I ricercatori sono riusciti a raffreddare una mesofase lipidica costituita da un monoacilglicerolo modificato chimicamente in elio liquido fino a meno 263 gradi Celsius, cioè solo 10 gradi sopra lo zero assoluto, senza che si formassero cristalli di ghiaccio. A questa temperatura l'acqua diventa simile al vetro, come i ricercatori hanno potuto dimostrare e confermare con una simulazione. Lo studio relativo a questo insolito comportamento dell'acqua è stato appena pubblicato sulla rivista Nature Nanotechnology.
"Il rapporto tra lipidi e acqua è importante", spiega Raffaele Mezzenga, professore di alimenti e materiali morbidi all'ETH di Zurigo. Il contenuto d'acqua della miscela determina le temperature a cui cambia la geometria della mesofase. Ad esempio, se la miscela è composta dal 12% di acqua in volume, la struttura della mesofase cambia a circa -15 gradi. Un labirinto cubico diventa una struttura laminata a strati.
Protezione naturale dal gelo dei batteri
"La parte più difficile dello sviluppo di questi lipidi è la loro sintesi e purificazione", spiega Ehud Landau, professore di chimica all'Università di Zurigo. Ciò è dovuto al fatto che le molecole lipidiche sono composte da due parti, una idrofobica (che evita l'acqua) e una idrofila (che ama l'acqua). "Questo rende estremamente difficile lavorare con loro".
Il materiale morbido formato dalle membrane lipidiche e dall'acqua ha una struttura complicata. ? costruito in modo tale da minimizzare il contatto delle parti idrofobe con l'acqua e massimizzare la superficie di contatto tra le parti idrofile e l'acqua.
Le membrane di alcuni batteri sono il modello per la formazione preliminare delle nuove molecole lipidiche. Queste producono una classe speciale di lipidi che si organizzano e trattengono naturalmente l'acqua. Ciò consente ai microrganismi di sopravvivere in ambienti molto freddi.
"La novità dei nostri lipidi è che gli anelli di carbonio tripartiti sono stati incorporati in alcune posizioni delle parti idrofobiche della molecola", spiega Landau. "Questo porta a una curvatura dei lipidi, che crea i piccoli canali dell'acqua e impedisce ai lipidi di cristallizzare".
Materiale morbido per la ricerca
Le nuove mesofasi lipidiche possono essere utilizzate principalmente da altri ricercatori. Con questi materiali, le biomolecole di grandi dimensioni possono essere isolate in modo non distruttivo, conservate e analizzate in un ambiente simile a una membrana, ad esempio utilizzando la crio-microscopia elettronica. I biologi utilizzano sempre più spesso questo metodo per chiarire le strutture e le funzioni di grandi biomolecole come le proteine o i grandi complessi molecolari.
"Di norma, i cristalli di ghiaccio che si formano durante il normale congelamento danneggiano e distruggono le membrane e le grandi biomolecole vitali", spiega Raffaele Mezzenga. "Questo impedisce di chiarire la loro struttura e le loro funzioni quando interagiscono con le membrane lipidiche".
Non così la nuova mesofase. Conserva tali molecole nel loro stato originale e insieme ai lipidi. "Con questo lavoro, stiamo gettando le basi per capire come le proteine possano essere conservate nella loro forma originale a temperature molto basse e interagire con le membrane lipidiche in futuro", afferma il Lavorare all'ETH.
Questa nuova classe di materiali morbidi potrebbe essere utilizzata anche in applicazioni in cui l'acqua non deve congelare. "Tuttavia, non ci siamo concentrati su applicazioni esotiche", dice Mezzenga, "eravamo più interessati a fornire alle ricerche un nuovo strumento per facilitare l'indagine delle strutture molecolari e anche per capire come due componenti principali della vita - l'acqua e il grasso - interagiscono tra loro a temperature estreme e in condizioni di confinamento geometrico".
Riferimento alla letteratura
Salvati Manni L, Assenza S, Duss M, Vallooran JJ, Juranyi F, Jurt S, Zerbe O, Landau EM, Mezzenga R. Il nanoconfinamento biomimetico morbido promuove l'acqua amorfa rispetto al ghiaccio. Nature Nanotechnology. Pubblicato: 08 aprile 2019. doi: pagina esterna10.1038/s41565-019-0415-0