물의 비정상적인 특성 해독

생명에 필수적인 분자인 물은 비정상적인 특성( 이상 이라고 함 )을 가지고 있으며, 이는 물의 행동을 정의합니다. 그러나 물 분자를 독특하게 만드는 이상 현상을 설명할 분자 메커니즘에 대한 수수께끼가 여전히 많이 있습니다. 다양한 온도 범위에서 물의 이러한 특정 행동을 해독하고 재현하는 것은 여전히 ​​과학계에 큰 과제입니다. 이제 한 연구에서 극한 조건에서 물이 어떻게 행동하는지 이해하기 위한 이전 방법론의 한계를 극복할 수 있는 새로운 이론적 모델을 제시합니다. The Journal of Chemical Physics 의 표지에 실린 이 논문은 바르셀로나 대학교(IN2UB) 물리학부와 나노과학 및 나노기술 연구소의 Giancarlo Franzese와 Luis Enrique Coronas가 주도했습니다.

이 연구는 물의 물리에 대한 우리의 이해를 넓힐 뿐만 아니라 기술, 생물학, 생물의학, 특히 신경퇴행성 질환의 치료와 첨단 생명공학의 개발에 영향을 미칩니다.

CVF 모델: 물의 물리학에 대한 더 나은 이해

Luis E. Coronas가 2023년 UB 물리학부에서 발표한 박사 학위 논문에서 나온 이 연구는 CVF(연구원 Luis E. Coronas, Oriol Vilanova, Giancarlo Franzese의 성씨의 첫 글자)라는 약어에 대응하는 새로운 이론적 모델을 보여줍니다. 새로운 CVF 모델은 신뢰할 수 있고 효율적이며 확장 가능하고 이전 가능하며, 다양한 조건에서 물의 열역학적 특성을 정확하게 재현하는 ab initio 양자 계산을 통합합니다.

응집물질물리학과 통계물리학 섹션의 Giancarlo Franzese 교수는 새로운 이론적 틀을 적용하여 "두 액체 형태의 물 사이에는 임계점이 있으며, 이 임계점이 물을 생명과 많은 기술적 응용 분야에 독특하고 필수적으로 만드는 이상 현상의 근원"이라고 밝혔습니다.

"이러한 결론은 다른 수질 모델에서 이미 도출되었지만, 그 중 어느 것도 우리가 이 연구에서 개발한 모델의 특정 특성을 가지고 있지 않습니다."라고 프란제세는 말합니다.

물의 이상 현상을 설명하기 위한 현재 모델 중 일부는 물의 압축성, 열용량 등 열역학적 특성을 적절히 재현할 수 없습니다.

"그러나 CVF 모델은 분자 간 상호작용의 초기 양자 계산 결과를 통합하기 때문에 이렇게 합니다. 다체 문제 라고 알려진 이러한 상호작용은 고전 물리학을 넘어서며, 물 분자가 실험적으로 측정하기 어려운 방식으로 전자를 공유하기 때문입니다."라고 Franzese는 말합니다.

연구에 따르면 "물 속의 밀도, 에너지, 엔트로피의 변동은 이러한 양자 상호작용에 의해 조절되며, 그 효과는 나노미터에서 거시적 규모에 이릅니다."라고 연구원 Luis E. Coronas가 말했습니다.

"예를 들어, Coronas는 다음과 같이 계속합니다. 물은 에너지와 분자의 교환을 조절하고, 세포 내 단백질과 핵산의 응집 상태를 조절합니다. 이러한 과정의 결함은 알츠하이머병, 파킨슨병, 근위축성 측색 경화증과 같은 심각한 질병을 유발하는 것으로 의심됩니다. 따라서 물의 변동이 이러한 과정에 어떻게 기여하는지 이해하는 것이 이러한 질병에 대한 치료법을 찾는 데 중요할 수 있습니다."

새로운 생명공학기술 개발 촉진

CVF 모델은 다른 모델이 실패하는 경우에도 계산을 수행할 수 있는 새로운 장점을 제공합니다. 즉, 계산량이 너무 많거나 실험 결과와 크게 다르기 때문입니다.

기술 개발 분야에서 일부 연구실에서는 물의 양자적 상호 작용을 이용하는 근육(기계적 액추에이터)을 대체하는 생명공학 기술을 개발하고 있으며, 물 기반 메모리스터를 사용해 메모리 소자(현재의 메모리 소자보다 수백만 배 더 큰 용량)를 만들거나, 나노기공에서 물의 밀도 변화를 이용해 물을 불순물로부터 분리하는 그래핀 스펀지를 응용하고 있습니다.

물의 물리학을 이해하는 데도 의미가 있습니다. 전문가들은 "이 모델은 실험실에서 도달한 극한 조건에서 벗어나기는 하지만 지구에서 발견되는 거의 모든 온도와 압력에서 액체 물의 특성을 재현할 수 있습니다."라고 말합니다. "이것은 모델에 포함되지 않은 효과, 즉 핵 양자 효과도 이러한 극한 압력과 온도에서 중요하다는 것을 보여줍니다. 따라서 모델의 한계는 모델을 확정적으로 공식화하기 위해 어디를 개선해야 할지 알려줍니다."라고 결론지었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/11/241114161415.htm