Os íons de magnésio retardam a dinâmica da água em escalas de comprimento curto

Apr 14, 2023

12 de outubro de 2022

por Forschungsverbund Berlin eV (FVB)

A presença de íons afeta a estrutura e a dinâmica da água em uma infinidade de comprimentos e escalas de tempo. Novos resultados de espectroscopia ultrarrápida e análises teóricas mostram que o ambiente aquático de pares específicos de íons de magnésio e sulfato tem um impacto decisivo na dinâmica das soluções aquosas.

A água líquida, meio nativo para processos bioquímicos e celulares, consiste em uma rede complexa de moléculas polares conectadas por pontes de hidrogênio. A água responde à presença de um soluto alterando sua estrutura local. A influência de íons carregados negativamente e positivamente na água líquida é geralmente classificada pela série Hofmeister, que classifica os íons com base em sua capacidade de estruturar a água ao seu redor ou de interromper a estrutura da água.

A origem microscópica e os mecanismos moleculares da série Hoffmeister são controversos, apesar de muitos anos de pesquisa. No entanto, a série de Hoffmeister tem grande relevância, pois caracteriza a influência que os íons exercem sobre as biomoléculas dissolvidas em água.

Experimentos e simulações recentes revelaram agora uma influência significativamente mais complexa dos íons na dinâmica das moléculas de água circundantes. O estudo, publicado na revista ACS Physical Chemistry Au, combina experimentos espectroscópicos com análises teóricas aprofundadas das interações e dinâmicas moleculares.

Os pesquisadores do Instituto Max Born em Berlim, Freie Universität Berlin e Ludwig-Maximilian-University em Munique usaram as vibrações assimétricas de alongamento de íons sulfato (SO42-) como sondas localmente sensíveis para mapear as propriedades dinâmicas do ambiente. Neste contexto, os íons sulfato hidratados são um sistema modelo prototípico, pois são comumente encontrados em minerais e são de grande importância na fisiologia e bioquímica.

Para obter informações sobre o ambiente de hidratação local, os pesquisadores usaram a técnica experimental de espectroscopia infravermelha bidimensional no domínio do tempo de femtossegundos e compararam o comportamento dos íons sulfato na presença de íons sódio (Na+) ou magnésio (Mg2+) em baixas concentrações de íons.

Eles descobriram que a presença de íons Mg2+ reduz as flutuações ultrarrápidas da camada de água em torno de um íon sulfato, levando a uma desaceleração específica na dinâmica de solvatação de MgSO4 hidratado em comparação com soluções aquosas de Na2SO4.

Extensas simulações fornecem uma visão microscópica da dinâmica observada e revelam um quadro molecular no qual a desaceleração da dinâmica da água surge de características estruturais dos pares de íons SO42--Mg2+ que compartilham moléculas de água em suas camadas de hidratação.

Ao contrário do relato generalizado na literatura, os efeitos descritos são de curto alcance e limitados às primeiras 1-2 camadas de água ao redor do íon sulfato. Em contraste com a série Hoffmeister, que classifica o efeito dos tipos de íons na estrutura da água, os novos resultados demonstram uma relevância particular das geometrias de solvatação individuais de pares de íons específicos para a dinâmica de sistemas aquosos diluídos.

Mais Informações: Achintya Kundu et al, Desaceleração cooperativa de curto alcance da dinâmica de solvatação de água em torno de pares de íons SO42-–Mg2+, ACS Physical Chemistry Au (2022). DOI: 10.1021/acsphyschemau.2c00034

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