آب انرژی مخفی‌ای در خود نگه‌داشته است – و دانشمندان تازه در حال کشف پتانسیل آن هستند

آب که به‌دلیل توانایی جریان‌دار بودن و شکل‌دادن به حیات بر روی زمین از دیرباز شناخته می‌شود، هم‌اکنون راز شگفت‌آوری را فاش کرده است.

رفتار آب قرن‌ها پژوهشگران را مفتون کرده است. در حالی که همه ما با جریان و حرکت آن آشنایم، اگر آب در محیطی محدود شده و نتواند حرکت کند چه می‌شود؟ برای مدت طولانی، محققان مطمئن نبودند که آب چگونه با مولکول‌هایی که بین آن‌ها گیر کرده است تعامل داشته باشد، به‌ویژه زمانی که در فضاهای بسیار تنگی قرار می‌گیرد که نمی‌تواند جریان داشته باشد یا جابه‌جا شود.

اکنون، تیمی از شیمیدانان به سرپرستی فرانک بیدرمان در مؤسسه فناوری کارلسروئه، آلمان، کشف چشمگیری را افشا کرده‌اند: حتی آب که در حالت ثابت است، انرژی بالایی دارد و می‌توان از این انرژی برای تقویت پیوندهای مولکولی استفاده کرد. این یافته می‌تواند تأثیر بزرگی بر حوزهٔ شیمی و همچنین بر کاربردهای عملی مانند توسعه دارو و علم مواد داشته باشد.

بیش از یک مایع ثابت

آب تنها یک مادهٔ غیرفعال نیست. زمانی که بین مولکول‌ها محصور می‌شود، رفتاری متفاوت از مایع جریان‌داری که روزانه با آن مواجه می‌شویم، نشان می‌دهد. بر اساس تیم بیدرمان، آب که در فضاهای تنگ گیر کرده است، مقدار قابل‌توجهی از انرژی را حفظ می‌کند.

در این مطالعه، پژوهشگران با استفاده از شبیه‌سازی‌های کامپیوتری رفتار آب را هنگام جابجا شدن توسط مولکول‌های دیگر بررسی کرده‌اند. آن‌ها متوجه شدند که وقتی یک مولکول دیگر وارد فضا می‌شود و آب را به‑سوی خارج فشار می‌دهد، انرژی آزادشده از آب به‌اندازه‌ای قدرتمند است که می‌تواند پیوند بین مولکول جدید و محیط اطرافش را تقویت کند.

این فرآیند مشابه یک واگن مترو پر از مسافر است. در ساعت اوج، مسافران (که نمایانگر مولکول‌های آب محبوس) در جای خود گیر کرده‌اند و مشتاق خروج هستند. به‌محض اینکه درها باز شوند، مسافران به‑سرعت خارج می‌ریزند و فضایی برای ورود دیگران ایجاد می‌شود.

این جریان انرژی حاصل از گروه خروجی، به تازه‌واردها انگیزه می‌دهد تا با نیروی بیشتری وارد شوند و این فرایند اتصال آن‌ها به فضای خالی را تقویت می‌کند. در مورد آب محبوس، این انرژی می‌تواند باعث تقویت پیوندهای بین مولکول‌ها شود، بسته به ماهیت شیمیایی مواد درگیر.

داروهای قوی‌تر به‌واسطه انرژی آب

یکی از هیجان‌انگیزترین پیامدهای این کشف، پتانسیل ارتقاء کارایی داروهاست. مولکول‌های آب اغلب بین پروتئین‌های موجود در داروها محبوس می‌شوند و این آب ثابت می‌تواند بر نحوه تعامل دارو با بدن تأثیر بگذارد. بر اساس گزارش Popular Mechanics، محققان با درک چگونگی آزادسازی انرژی از آب محبوس و تقویت پیوندهای مولکولی، می‌توانند داروهایی طراحی کنند که به‌طور مؤثرتری به پروتئین‌های خاص هدف‌گیری کنند.

به‌عنوان مثال، اگر دارویی شامل پروتئین‌هایی باشد که آب بین آن‌ها محبوس است، پژوهشگران می‌توانند دارو را به‌گونه‌ای مهندسی کنند که این آب را جابجا کند. انرژی آزاد شده سپس می‌تواند پیوندهای قوی‌تری بین مولکول‌ها ایجاد کرده و توانایی دارو برای اتصال به هدف خود را ارتقا دهد. این می‌تواند منجر به داروهای کارآمدتر با اثرات درمانی بهبود یافته شود و گامی بزرگ در علم داروسازی رقم بزند.

رویکردی نوین در علم مواد

فراتر از حوزهٔ داروسازی، یافته‌های بیدرمان می‌توانند کاربردهای گسترده‌ای در علم مواد داشته باشند. توانایی کنترل انرژی محبوس در آب می‌تواند امکان تولید مواد قوی‌تر و مقاوم‌تر را فراهم آورد. چه در ساخت و ساز، الکترونیک یا حتی نانوتکنولوژی، به‌کارگیری این «آب با انرژی بالا» می‌تواند به‌سوی خلق موادی با دوام و کارایی بیشتر هدایت شود.

پژوهشگران پیشنهاد می‌کنند که این اصل می‌تواند بر روی طیف وسیعی از مولکول‌های میزبانی ماکرومولکولی، نه تنها در داروها، اعمال شود. این می‌تواند شامل مواد جدید برای استفادهٔ روزمره و همچنین سیستم‌های پیچیده در پژوهش‌های علمی باشد. مفهوم استفاده از انرژی آب محبوس برای بهبود تعاملات مولکولی می‌تواند نحوهٔ طراحی و ساخت مواد را متحول کند و راه‌حل‌های جدیدی برای چالش‌های دیرینهٔ علم و مهندسی فراهم آورد.