2017

Az október hónap egy tudományos konferenciára való felkészülés és részvétel jegyében telt el.

Ez is az egyik oka, hogy már régen írtam blogbejegyzést. Mióta nem dolgozom egyetemen, azóta kihagytam a tudományos konferenciákat. Igaz, még a tudományos mondandóm sem állt össze idáig. De most megígértem magamnak, hogy máshogy lesz: rendszeresen részt veszek tudományos megmérettetéseken. Egyrészt, motivál, hogy új dolgokat közöljek, másrészt, rengeteget tanulhatok másoktól, főleg a hasonlóan gondolkodóktól.

 

Mikor először az egyetem biofizikai intézetébe léptem, már az akkori főnököm megismertette velem, hogy az élő sejtekben másképp viselkedik a víz, ő azt mondta akkor, hogy a víz kötött állapotban van a sejten belül. Ez több évtizeddel ezelőtt történt, de erről a kérdésről ma sem tudunk sokkal többet.

A testünkben a legkisebb molekula a víz, de ebből van a legtöbb is, nem csak számszerűen, de térfogatilag, vagy összes súly szerint is. Hol tartunk a sejtjeink biológiai megismerésében, ha nem tudunk a szervezetünk legnagyobb  mennyiségű szereplőjéről semmit! Azt hisszük róla, hogy egy oldószer, melynek csak annyi a szerepe, hogy feloldja a benne oldódó anyagokat. Mondjuk ez sem lenne kevés, de a víznek a szerepe a sejtjeinkben sokkal összetettebb, sokkal sokrétűbb.

Valószínűleg ez az oka annak, hogy oly lassú az előre haladás a víz szerepeinek megismerésében.

A gélem felfedezésében nagy szerepe volt annak, hogy kerestem olyan élő objektumot, amelyben bőséggel vizsgálható a kötött víz tulajdonságai. Megtaláltam azt a baktériumot, amely olyan cellulóz szálakat növeszt, amelyek képesek arra, hogy saját súlyának az 1000 szeresét jelentő vízmennyiséget is megtartson magában. E baktériális eredetű cellulóz szálaknak a formája szalagszerű, a nm vastagságú szalagok 10-15 nm szélesek.  A szalagok felülete vizet kedvelő, ún. hidrofil felület. Ekkor jött a kapilláris elv felhasználásának az ötlete. Ha a kapillárisok, például a vékony üvegcsövek,  belső felülete hidrofil, vonzza a vizet, akkor a kapilláris erő felszívja a kapilláris  csőbe a vizet. Ha két hidrofil felületű szálacskát egymás mellé teszünk és vízbe lógatjuk a két szál végét, akkor a víz felszívódik a két szál közé és ott tartósan meg is marad. Ha egy harmadik hidrofil szálacskát a kettő mellé lógatunk, akkor a harmadik is megosztozik a kapilláris vizen, vagyis, ha elég sűrűen vannak a szálacskák, akkor egy hálózatot alkotva, elképzelhetjük, hogy a szálacskák hálózata közé kapilláris elv szerin felszívott víz gyűjthető össze és tartható meg közöttük. Így jöttem rá, hogy a gélemben sok vékony szálacska hogyan tartja meg magában a vizet. És hogy miért a legjobb e vízmegtartó kapacitásban? Mert a szálak nagyon vékonyak és relatíve nagy a hidrofil felületük. Úgy hívják a fizikokémikusok az ilyen anyagot, hogy nagy a fajlagos felületük, vagyis egy köbcentiméterben a legnagyobb felülettel rendelkeznek. Az orvosi szén vizsgálatainál fedezték fel ezt a fizikai jellemzőt. Az orvosi szénre az a jellemző, hogy egy köbcentijében a többi anyagokhoz képest legnagyobb felülettel rendelkeznek. A különbség az a gélhez viszonyítva, hogy a hidrofób a felületük. Hidrofób azt jelenti, hogy vizet taszító.  A zsírok és olajok például ezeket a felületeket kedvelik. Az olajok felszívódása például hidrofób kapillárisokon keresztül történik. Az orvosi szén a gázok megkötésére is használatos jó hatásfokkal. Ha nagy a gázképződés a bélcsatornában, akkor az „viharokat” okoz odabenn, ezt akadályozza meg. A hidrofil felületek rendelkeznek valamiféle elektromos töltéstöbblettel. A hidrofób felületek pedig teljesen semlegesek elektromos szempontból.  A sejtek felszínét alkotó membránokban kialakulhatnak hidrofil és hidrofób csatornák is. Attól függően, hogy milyen tulajdonságú a felszívandó anyag. (Mostanában kitalálták a liposzómás termékeket, ahol a zsírban oldódó anyagokat vízben oldhatóvá teszik. Nem értem, miért?)

A gélem tehát hasonlóan működik a nagy abszorpciós felületével, mint az orvosi szén, csak a gél a vizet és a vízben oldódó anyagokat abszorbeálja, nem pedig a gázokat, zsírokat, olajokat.

Ezután nevezzük meg az abszorpció, vagyis a kötés erősségét és tulajdonságait. (Nem elírás: az adszorpció felületi tapadást, kötődést , az abszorbció pedig felszívódást, elnyelést jelent.)

A hidrofil felület, mint említettem, részleges elektromos töltéssel rendelkezik. A vízmolekula is részlegesen töltött elektromosan. A vízmolekula azon fele ahol a két hidrogén kötődik, részlegesen pozitív töltésű, az a fele, ahol csak az oxigén található, részben negatív töltésű. Azért használom, hogy részben, mert nem egy teljes elektron töltése helyezkedik ott el, csak tört része.

Azt vizsgáltam, hogy mi történik a vízmolekulákkal, ha a hidrofil felület közvetlen szomszédságában helyezkednek el?

A hidrofil felületek általában negatívan töltöttek, a többnyire magas oxid tartalmuk miatt. (Lásd a szilicium-oxid tartalmú üveget is!) A negatív töltésű felülethez a vízmolekula úgy orientálódik, hogy a pozitív töltésű része legyen közelebb. Ez az alacsonyabb energiájú állapot!  Ekkor a vízmolekulák rendezetlen hőmozgást végeznek, lökdösik egymást rendezetlenül.

Az elektrosztatikus kölcsönhatás az elején elindít a vízmolekulák között egy közös orientációt. Mint minden molekula, a víz is, rezeg saját rezgési szabadságfokainak az irányában. Mivel a vízmolekula töltött, a rezgésekkel együtt töltésük is rezeg, vagyis mozog. Minden mozgó töltés mágneses teret hoz maga körül létre, lásd a Lorentz-erőt. Képzeljünk el két egymás mellett azonos fázisban rezgő vízmolekulát. Egymással párhuzamos elektromos áramoknak tekinthetők  a rezgés mentén elmozduló részleges töltések. Az Ampère-törvény alkalmazható erre az esetre. Ugyanaz az eset, mint mikor két párhuzamos elektromos vezetőben áram folyik Ampère törvénye szerint kiszámítható minden pillanatban a két rezgő vízmolekula között fellépő laterális irányú erő. Az azonos fázisban rezgő vízmolekulák között nagy vonzó erő lép fel. Ha fáziskülönbség van a két rezgés között, akkor kisebb a vonzás, ha pedig ellentétes fázisban rezegnek, akkor taszító erő lép fel a molekulák között.

A hasonlóan rezgő vízmolekulák kiválogatódnak és összetömörödve rezegnek azonos irányban.

Ez az a pillanat a vízmolekulák számára, mikor a rendezetlen mozgásuk elkezd rendezett mozgássá válni. Ez az a pillanat, mikor a vízmolekulák már nem 18 atomsúlyú egyedekként viselkednek, hanem kollektív mozgások és viselkedések jellemzik őket, amelyeknek leírásához a kvantummechanikára van szükségünk.

Ezután már a hőmozgás sem tetszőleges energiájú, hanem kvantált mennyiség.

A vízmolekulák ezután nem lökdösődő tömegekként, hanem harmonikus oszcillátorokként viselkednek. A harmonikus oszcillátorban a határozott energiaállapotok között határozott mennyiségű energiakülönbségek, kvantumok cserélődnek.

A környezeti rendezetlen hőmozgás egy szabadságfokra jutó energiája = kT (k=Boltmann-állandó,  T= hőmérséklet). Az f frekvenciával rezgő harmonikus oszcillátor energiája = hf (h= Planck-állandó).  Ha a kT és a hf szorzatok egymással összemérhető mennyiségek, akkor a környezetükkel termikus egyensúlyban lévő harmonikus oszcillátorok a környezeti hőmérséklet által gerjeszthetőek. A környezetüktől hőt tudnak felvenni és leadni. Eszerint nő vagy csökken az entrópiájuk. De az összerendeződött vízmolekulák entrópiáját már fonon entrópiaként kell kezelni. Fonon= rezgési kvantum. (A foton jóval magasabb rezgésszámú elektromágneses kvantum, például fény.)

A molekula közösségek rezgési spektruma szélesedik, azáltal, hogy egységesebben viselkedik az egymáshoz kötött közösség. A vízmolekulák egymáshoz kapcsolódásával növekedett a tömeg. Így a rezgési spektrumban megjelennek alacsonyabb frekvenciák is. (Tudjuk, a nagyobb tömegek lassabban rezegnek.) Kollektív rezgési módusok lépnek fel. A kollektív rezgési módusok már nem az egyes vízmolekulákra jellemző mozgásokat tükröz, hanem a kollektíváét. Vagyis teljesen más!

A hidrofil felület töltéserősségétől, a felület nagyságától, a felület szerkezetétől, mind függ az eredő rezgési spektrum.

A vízmolekula rezgési spektruma az infravörösben található. A hidrofil felület közelében kialakult rendezett vízszerkezet kollektív rezgései már a távoli infravörösben illetve a mikrohullámú tartományban találhatóak. Ha még azt is figyelembe vesszük, hogy a forgások is megengedettek a vízszerkezeten belül, akkor akár a rádiófrekvenciák tartományában is találhatjuk a vízszerkezetre jellemző csúcsokat.

Mivel a vízmolekulák dipólusos molekulák, ezért a rezgésük dipol rezgés is egyben. A dipól rezgésről pedig tudjuk, hogy elektromágneses energiát sugároznak. A rendezett vízszerkezet tehát egy összetett rezgés sugárzó dipól antenna. A sugárzás színképe jellemző a szerkezetre magára. Vagyis minden hidrofil felület körül kialakuló vízszerkezet rendelkezik egy elektromágneses spektrummal, egy ujjlenyomattal, ami csak rá jellemző. Egy dipól antenna, amely képes jeleket adni, képes ugyanazokat a jeleket venni is. A strukturált vízszerkezetek között tehát kommunikáció lehetséges!

A hidrofil felszín közelében kialakuló vízszerkezetekre még az is jellemző, hogy leválik a felületről, mivel az egymáshoz való kötődés erősebb, mint a felszínhez való kapcsolódás.

Strukturált vízszerkezetek úszkálnak a felszínek között.

Képzeljünk el egy biológiai makromolekulát, amelynek van hidrofil felszíne. Ez a felszín kialakít egy vízszerkezetet, ezek leválhatnak és egymással kommunikálhatnak, energiát cserélhetnek. Minden makromolekulának megvan a lenyomata, amelyek jellemző elektromágneses spektrummal rendelkeznek. Memória! Méghozzá digitális, mert kvantált!

Most hagyom abba, a csúcson! Mindenki gondolja tovább!

A víz csak egy oldószer?

 

Képek forrása: <a href='https://www.freepik.com/free-photo/background-of-water-in-motion_1101151.htm'>Designed by Freepik</a>

<a href='https://www.freepik.com/free-vector/drop-on-blue-background-world-water-day_1074751.htm'>Designed by Freepik</a>

<a href="http://www.freepik.com">Designed by Freepik</a>