Los científicos descubren que las moléculas de agua definen los materiales que nos rodean

Durante décadas, los campos de la física y la química han sostenido que los átomos y las moléculas que componen el mundo natural definen el carácter de la materia sólida. Los cristales de sal obtienen su calidad cristalina del enlace iónico entre los iones de sodio y cloruro, los metales como el hierro o el cobre obtienen su fuerza de los enlaces metálicos entre los átomos de hierro o cobre, y los cauchos obtienen su elasticidad de los enlaces flexibles dentro de los polímeros que constituyen el caucho. El mismo principio se aplica a materiales como hongos, bacterias y madera.

O eso dice la historia.

Un nuevo artículo publicado en Naturaleza da un vuelco a ese paradigma y argumenta que el carácter de muchos materiales biológicos en realidad es creado por el agua que impregna estos materiales. El agua da lugar a un sólido y continúa definiendo las propiedades de ese sólido, manteniendo al mismo tiempo sus características líquidas. En su artículo, los autores agrupan estos y otros materiales en una nueva clase de materia que llaman «sólidos de hidratación», que dicen «adquieren su rigidez estructural, la característica definitoria del estado sólido, del fluido que penetra en sus poros». La nueva comprensión de la materia biológica puede ayudar a responder preguntas que han perseguido a los científicos durante años.

«Creo que este es un momento realmente especial en la ciencia», dijo Ozgur Sahin, profesor de Ciencias Biológicas y Física y uno de los autores del artículo. «Está unificando algo increíblemente diverso y complejo con una explicación simple. Es una gran sorpresa, una delicia intelectual».

Steven G. Harrellson, quien recientemente completó sus estudios de doctorado en el departamento de física de Columbia y es uno de los autores del estudio, usó la metáfora de un edificio para describir el hallazgo del equipo: «Si piensas en los materiales biológicos como un rascacielos, los bloques de construcción moleculares son los marcos de acero que los sostienen, y el agua entre los bloques de construcción moleculares es el aire dentro de los marcos de acero. Descubrimos que algunos rascacielos no están sostenidos por sus marcos de acero, sino por el aire dentro de esos marcos».

«Esta idea puede parecer difícil de creer, pero resuelve misterios y ayuda a predecir la existencia de fenómenos interesantes en los materiales», agregó Sahin.

Cuando el agua está en estado líquido, sus moléculas logran un delicado equilibrio entre el orden y el desorden. Pero cuando las moléculas que forman los materiales biológicos se combinan con el agua, inclinan la balanza hacia el orden: el agua quiere volver a su estado original. Como resultado, las moléculas de agua empujan las moléculas de la materia biológica. Esa fuerza de empuje, llamada fuerza de hidratación, se identificó en la década de 1970, pero se pensaba que su impacto en la materia biológica era limitado. El argumento de este nuevo artículo de que la fuerza de hidratación es lo que define el carácter de la materia biológica casi por completo, incluyendo cuán blanda o dura es, sorprende.

Hace tiempo que sabemos que los materiales biológicos absorben la humedad ambiental. Piense, por ejemplo, en una puerta de madera que se expande durante un período húmedo. Esta investigación, sin embargo, muestra que el agua ambiental es mucho más central para el carácter de la madera, los hongos, las plantas y otros materiales naturales de lo que jamás habíamos conocido.

El equipo descubrió que llevar el agua al frente y al centro les permitió describir las características que muestran los materiales orgánicos familiares con matemáticas muy simples. Los modelos anteriores de cómo el agua interactúa con la materia orgánica han requerido simulaciones informáticas avanzadas para predecir las propiedades del material. La simplicidad de las fórmulas que el equipo encontró para predecir estas propiedades sugiere que están en lo cierto.

Para tomar un ejemplo, el equipo descubrió que la ecuación simple E = Al / λ describe claramente cómo cambia la elasticidad de un material en función de factores que incluyen la humedad, la temperatura y el tamaño de la molécula. (E en esta ecuación se refiere a la elasticidad de un material; A es un factor que depende de la temperatura y la humedad del ambiente; l es el tamaño aproximado de las moléculas biológicas y λ es la distancia sobre la cual las fuerzas de hidratación pierden su fuerza).

«Cuanto más trabajábamos en este proyecto, más simples se volvían las respuestas», dijo Harrellson, y agregó que la experiencia «es muy rara en la ciencia».

Los nuevos hallazgos surgieron de la investigación en curso del profesor Sahin sobre el extraño comportamiento de las esporas, las células bacterianas latentes. Durante años, Sahin y sus alumnos han estudiado las esporas para comprender por qué se expanden con fuerza cuando se les agrega agua y se contraen cuando se les quita el agua. Hace varios años, Sahin y sus colegas obtuvieron cobertura de los medios por aprovechar esa capacidad para crear pequeños artilugios similares a motores alimentados por esporas.

Alrededor de 2012, Sahin decidió dar un paso atrás para preguntar por qué las esporas se comportan de esa manera. A él se unieron los investigadores Michael S. DeLay y Xi Chen, autores del nuevo artículo, que entonces eran miembros de su laboratorio. Sus experimentos no proporcionaron una resolución al misterioso comportamiento de las esporas. «Terminamos con más misterios que cuando empezamos», recuerda Sahin. Estaban atascados, pero los misterios que encontraron insinuaban que había algo que valía la pena perseguir.

Después de años de reflexionar sobre posibles explicaciones, a Sahin se le ocurrió que los misterios que el equipo encontraba continuamente podrían explicarse si la fuerza de hidratación gobernara la forma en que el agua se movía en las esporas.

«Cuando abordamos inicialmente el proyecto, parecía imposiblemente complicado. Tratábamos de explicar varios efectos diferentes, cada uno con su propia fórmula insatisfactoria. Una vez que comenzamos a usar las fuerzas de hidratación, cada una de las fórmulas antiguas podía eliminarse. Cuando solo la hidratación quedaron fuerzas, sentí que nuestros pies finalmente tocaron tierra. Fue increíble y un gran alivio; las cosas tenían sentido», dijo.

Los hallazgos del artículo se aplican a grandes cantidades del mundo que nos rodea: los materiales biológicos higroscópicos, es decir, los materiales biológicos que permiten que el agua entre y salga de ellos, constituyen potencialmente entre el 50 % y el 90 % del mundo vivo que nos rodea, incluidos todos de la madera del mundo, pero también de otros materiales familiares como el bambú, el algodón, las piñas, la lana, el cabello, las uñas, los granos de polen de las plantas, la piel exterior de los animales y las esporas de bacterias y hongos que ayudan a estos organismos a sobrevivir y reproducirse.

El término acuñado en el documento, «sólidos de hidratación», se aplica a cualquier material natural que responda a la humedad ambiental que lo rodea. Con las ecuaciones que identificó el equipo, ellos y otros investigadores ahora pueden predecir las propiedades mecánicas de los materiales a partir de principios físicos básicos. Hasta ahora, eso era cierto principalmente para los gases, gracias a la conocida ecuación general de los gases, conocida por los científicos desde el siglo XIX.

«Cuando damos un paseo por el bosque, pensamos en los árboles y las plantas que nos rodean como sólidos típicos. Esta investigación muestra que realmente deberíamos pensar en esos árboles y plantas como torres de agua que mantienen los azúcares y las proteínas en su lugar», dijo Sahin. ., «Es realmente el mundo del agua».