我们周围的材料是由水分子

几十年来,物理和化学等领域的维护,原子和分子构成的自然世界定义固体物质的特点。盐晶体得到结晶质量的钠离子和氯离子之间的离子键,铁或铜等金属从金属债券获得他们的力量之间的铁或铜原子,和橡胶得到stretchiness灵活的债券在橡胶聚合物构成。同一原则适用于材料如真菌、细菌,和木头。

故事是这样的。

《自然》杂志今天发表的一篇新论文模式的颠覆,并认为许多生物材料的角色实际上是由水渗透到这些材料。水产生固体和继续定义固体的性质,同时保持其流动特征。在他们的论文中,作者将这些和其他材料为一种新的事,他们叫“水化固体,”他们说,“获得他们的结构刚度,固态的定义特征,从流体渗透毛孔。“生物物质的新的理解可以帮助回答问题,困扰了科学家多年。

“我认为这是一个非常特殊的时刻在科学、“Ozgur领域,生物科学和物理学教授,该论文的作者之一,表示。“这是统一一些令人难以置信的多样性和复杂的一个简单的解释。这是一个大惊喜,一个知识的喜悦。”

史蒂文•g . Harrellson最近在哥伦比亚大学物理系博士研究完成,并在研究中,作者使用了一个建筑来描述团队的发现:“如果你认为生物材料像摩天大楼,分子构建模块是钢结构,,和水之间的分子构建模块是钢框架内的空气。我们发现一些摩天大楼的钢框架不支持他们,但是这些框架中的空气。”

”这个想法似乎难以置信,但它解决谜题,有助于预测令人兴奋的现象材料的存在,”领域补充道。

我们早就知道,生物材料吸收周围的水分。但从哥伦比亚大学一项新研究表明,环境水更核心的自然材料,如松果,真菌和其他植物和树木比以前。

当水以液态形式,其分子有序与无序之间取得微妙的平衡。但当分子生物材料与水结合,形成他们对秩序:水想要回到原来的状态。因此,水分子推动生物物质的分子。推力,称为水化力,在1970年代被发现,但其对生物物质的影响被认为是有限的。这篇新论文的论点水化力是什么定义了生物物质几乎完全的特点,包括软或硬,因此是一个惊喜。

我们早就知道,生物材料吸收周围的水分。认为,例如,木门,扩大在潮湿的法术。然而,这项研究表明,环境水更中央木材、真菌、植物和其他天然材料比我们所知道的角色。

研究小组发现,将水到前面和中心允许他们描述的特征有机材料显示熟悉非常简单的数学。先前的模型所需的水和有机物相互作用如何先进的计算机模拟来预测物质的性质。简单的公式,研究小组发现能够预测这些属性表明,因为他们有更重要的事要做了。

举个例子,研究小组发现,简单的公式E = Al /λ巧妙地描述了材料的弹性变化基于因素包括湿度、温度和分子的大小。在方程(E是指材料的弹性;是一个因素,取决于环境的温度和湿度;l是生物分子的近似大小和λ的距离水化部队失去力量)。

“我们在这个项目上工作越多,越简单的答案,”Harrellson说,并补充说体验“在科学上是非常罕见的。”

新的发现来自教授领域正在进行的研究的奇怪行为孢子,潜伏的细菌细胞。多年来,领域和他的学生研究了孢子理解他们为什么扩大有力当水添加和删除合同当水。(几年前,领域和他的同事们得到媒体报道利用这种能力来创建小型引擎喜欢装置由孢子)。

2012年前后,领域决定退一步问为什么孢子的行为方式。他被研究人员Michael s .加入延迟和习近平陈,作者在新的纸上,然后他的实验室的成员。他们的实验没有提供解决的神秘行为孢子。“我们最终比当我们开始更多的奥秘,“领域回忆说。他们被困,但他们遇到的神秘暗示有什么值得追求的。

经过多年的思考可能的解释,它发生神秘团队不断遇到的领域可以解释如果水化力控制方式,水进入孢子。

团队必须做更多的实验来测试这个想法。Harrellson, 2018年,他现在是一名软件工程师在数据分析公司Palantir,加入这个项目。

“当我们最初处理项目,似乎无比复杂。我们试图解释不同的影响,每个国家都有自己不满意的公式。一旦我们开始使用水合作用力量,每一个旧的公式可以剥掉。只剩下水化部队时,感觉就像我们的脚终于落地。这是惊人的,一个巨大的安慰;有意义的事情,”他说。

这些实验的结果导致团队和他们的合作者。除了Harrellson,延迟,陈和领域,论文的其他作者Ahmet-Hamdi Cavusoglu,乔纳森·德沃金,霍华德·a·斯通。芝加哥洛约拉大学的亚当。他也贡献的研究,完成工作前去世了。资助这项研究是由美国能源部科学办公室的基本能源科学;美国海军研究办公室;由美国国立卫生研究院;和大卫和露西尔帕卡德计划。

论文的结果适用于大量的我们周围的世界:吸湿生物材料,生物材料,使水的潜在控制在50%到90%的生活周围世界,世界上包括所有的木头,而且其他熟悉的材料像竹子,棉花、松果、羊毛、头发、指甲,花粉粒在植物、动物的表皮,细菌和真菌孢子,帮助这些生物生存和繁殖。

的术语,“水化固体,”适用于任何自然材料,对环境湿度的响应。方程研究小组确认了,他们和其他研究人员现在可以预测材料的力学性能基本物理原则。到目前为止,这是真正的主要气体,由于众所周知的一般气体方程,众所周知,自19世纪科学家。

“当我们在树林里散步,我们认为我们周围的树木和植物是典型的固体。这个研究表明,我们应该想想那些树木和植物的塔水拿着糖和蛋白质,”领域说:“真的很水的世界。”

参考:陈Harrellson SG,延迟女士,X, et al .水化固体。自然。6月7日在线发表2023:1-6。doi:10.1038 / s41586 - 023 - 06144 - y

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