Gli ioni di magnesio rallentano la dinamica dell'acqua su scale di breve lunghezza

Apr 14, 2023

12 ottobre 2022

dall'Associazione di ricerca Berlin eV (FVB)

La presenza di ioni influenza la struttura e la dinamica dell'acqua su una moltitudine di scale di lunghezza e tempo. Nuovi risultati della spettroscopia ultraveloce e analisi teoriche mostrano che l'ambiente acquatico di coppie specifiche di ioni magnesio e solfato ha un impatto decisivo sulla dinamica delle soluzioni acquose.

L'acqua liquida, il mezzo nativo per i processi biochimici e cellulari, è costituita da una complessa rete di molecole polari collegate da legami idrogeno. L'acqua risponde alla presenza di un soluto modificando la sua struttura locale. L'influenza degli ioni caricati negativamente e positivamente sull'acqua liquida viene solitamente classificata tramite la serie Hofmeister che classifica gli ioni in base alla loro capacità di strutturare l'acqua circostante o di interrompere la struttura dell'acqua.

L'origine microscopica e i meccanismi molecolari della serie Hoffmeister sono controversi, nonostante molti anni di ricerca. Tuttavia, la serie Hoffmeister ha grande rilevanza perché caratterizza l’influenza che gli ioni esercitano sulle biomolecole disciolte nell’acqua.

Recenti esperimenti e simulazioni hanno ora rivelato un’influenza significativamente più complessa degli ioni sulla dinamica delle molecole d’acqua circostanti. Lo studio, pubblicato sulla rivista ACS Physical Chemistry Au, combina esperimenti spettroscopici con analisi teoriche approfondite delle interazioni e delle dinamiche molecolari.

I ricercatori del Max Born Institute di Berlino, della Freie Universität di Berlino e dell'Università Ludwig-Maximilian di Monaco di Baviera hanno utilizzato le vibrazioni di stiramento asimmetrico degli ioni solfato (SO42-) come sonde localmente sensibili per mappare le proprietà dinamiche dell'ambiente. In questo contesto, gli ioni solfato idrato rappresentano un sistema modello prototipo, poiché si trovano comunemente nei minerali e sono di grande importanza in fisiologia e biochimica.

Per ottenere informazioni sull'ambiente di idratazione locale, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica sperimentale della spettroscopia infrarossa bidimensionale nel dominio temporale dei femtosecondi e hanno confrontato il comportamento degli ioni solfato in presenza di ioni sodio (Na+) o magnesio (Mg2+) a basse concentrazioni di ioni.

Scoprono che la presenza di ioni Mg2+ riduce le fluttuazioni ultraveloci del guscio d'acqua attorno a uno ione solfato, portando a un rallentamento specifico nella dinamica di solvatazione del MgSO4 idratato rispetto alle soluzioni acquose di Na2SO4.

Ampie simulazioni forniscono una visione microscopica delle dinamiche osservate e rivelano un quadro molecolare in cui il rallentamento della dinamica dell'acqua deriva dalle caratteristiche strutturali delle coppie ioniche SO42--Mg2+ che condividono molecole d'acqua nei loro gusci di idratazione.

Contrariamente a quanto diffuso in letteratura, gli effetti descritti sono di breve portata e limitati ai primi 1-2 strati d’acqua attorno allo ione solfato. In contrasto con la serie Hoffmeister, che classifica l'effetto dei tipi di ioni sulla struttura dell'acqua, i nuovi risultati dimostrano una particolare rilevanza delle singole geometrie di solvatazione di specifiche coppie ioniche per la dinamica dei sistemi acquosi diluiti.

Maggiori informazioni: Achintya Kundu et al, Rallentamento cooperativo a corto raggio delle dinamiche di solvatazione dell'acqua attorno alle coppie di ioni SO42-–Mg2+, ACS Physical Chemistry Au (2022). DOI: 10.1021/acsphyschemau.2c00034

Fornito dall'Associazione di ricerca Berlin eV (FVB)