Che suono ha un polimero che collassa?
La tecnologia del suono rivela ciò che la visualizzazione non può raggiungere
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Non è facile seguire in tempo reale le interazioni delle grandi molecole con l'acqua. Ma può essere più facile da sentire che da vedere. Ecco come un team internazionale ha decifrato il ruolo dell'acqua nel collasso del PNIPAM.
Alcuni polimeri reagiscono all'ambiente circostante con cambiamenti conformazionali: uno di questi è il polimero PNIPAM, abbreviazione di poli(N-isopropilacrilammide). È solubile in acqua al di sotto dei 32 gradi Celsius, ma al di sopra di questa temperatura precipita e diventa idrofobo. Questo lo qualifica per le applicazioni dei sensori intelligenti. Ma cosa succede in realtà tra il PNIPAM e il solvente acqua? I ricercatori della Ruhr University Bochum, in Germania, e dell'Università dell'Illinois Urbana Champaign hanno collaborato con gli specialisti della produzione sonora della Symbolic Sound Corporation per indagare su questa questione. Grazie alla rappresentazione sonora, sono riusciti a decifrare per la prima volta l'interazione delle molecole d'acqua con il PNIPAM. I risultati saranno pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences PNAS il 4 febbraio 2026.
L'acqua tira le fila
Il ruolo del solvente, l'acqua, passa spesso in secondo piano quando i ricercatori analizzano il movimento di polimeri come le proteine o il PNIPAM di origine umana. "Eppure, l'acqua forma legami a idrogeno tra le molecole d'acqua e tra l'acqua e il polimero, e questi legami a idrogeno organizzano sia la struttura dell'acqua che quella del polimero", spiega la professoressa Martina Havenith-Newen, titolare della cattedra di Chimica fisica II presso la Ruhr University Bochum e portavoce del Ruhr explores Solvation RESOLV Cluster of Excellence. "L'acqua svolge un ruolo importante nel modo in cui i polimeri si espandono, si contraggono o si ripiegano all'interno del solvente".
Gli scienziati della Ruhr University Bochum, gli specialisti di sonificazione della Symbolic Sound Corporation e i ricercatori dell'Università dell'Illinois Urbana Champaign si sono uniti per vedere come il PNIPAM si contrae e si espande nell'acqua, il solvente universale del corpo umano, e qual è il ruolo dell'acqua in questo processo. A tal fine, il ricercatore post-dottorato Wanlin Chen, fondato con il programma Henriette Scout della fondazione Alexander von Humboldt, ha eseguito lunghe simulazioni al supercomputer che seguono il movimento del PNIPAM in acqua per miliardi di passi temporali.
Il suono è la chiave
L'enigma era nell'analisi dei dati: ci sono migliaia di molecole d'acqua intorno al PNIPAM, che formano e rompono centinaia di legami idrogeno con il PNIPAM in continuazione, quindi era difficile da visualizzare con la visualizzazione convenzionale al computer. Il team ha coinvolto Carla Scaletti e Kurt Hebel, che stanno sviluppando l'Auditory Analytics, una tecnica che utilizza la sonificazione (trasformazione dei dati in suoni) in modo complementare alla visualizzazione (trasformazione dei dati in video o immagini). "La sonificazione ha il vantaggio, con le serie temporali di dati complessi, che il cervello umano è molto bravo a discernere i modelli nelle forme d'onda audio che derivano da molti eventi quasi simultanei", spiega Martin Gruebele, professore ospite finanziato anche dalla fondazione Alexander von Humboldt.
Utilizzando la sonificazione, i ricercatori hanno scoperto che la PNIPAM, quando si contrae, non forma molti legami idrogeno diretti, ma piuttosto la sua struttura è organizzata da "ponti d'acqua", dove una molecola d'acqua crea collegamenti tra due parti della PNIPAM. La stessa PNIPAM forma anche un legame insolito in cui gli atomi di idrogeno attaccati agli atomi di azoto si allineano. Tutto ciò poteva essere udito e differenziato quando suoni diversi venivano assegnati a tipi di legami diversi, anche quando decine di questi legami si formano e si dissolvono in qualsiasi momento.
L'analisi quantitativa successiva della simulazione al computer ha rivelato che i ponti d'acqua non sono casuali, ma correlati l'uno con l'altro mentre il PNIPAM collassa in una forma compatta, ma con l'acqua che tira le fila del processo, non tanto i contatti diretti del PNIPAM. "La ricerca ci aiuta a capire come nasce il comportamento insolito di alcuni polimeri, così utili nelle applicazioni biomediche e di rilevamento", afferma Martina Havenith.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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