Uma nova classe de matéria sacode a ciência

Um estudo recente argumenta que materiais como madeira, bactérias e fungos pertencem a uma classe de matéria recém-identificada, “sólidos aquosos”.

Por muitos anos, os campos da física e da química acreditaram que as propriedades dos sólidos são determinadas principalmente pelos átomos e moléculas que os compõem. Por exemplo, a natureza cristalina do sal é atribuída à ligação iônica formada entre os íons sódio e cloreto. Da mesma forma, metais como ferro ou cobre devem sua dureza às ligações metálicas entre seus respectivos átomos, e a elasticidade da borracha decorre das ligações elásticas dos polímeros que as formam. Este princípio também se aplica a materiais como fungos, bactérias e madeira.

Ou então a história continua.

Um novo artigo publicado recentemente em natureza Ele inverte esse modelo e argumenta que a natureza de muitos materiais biológicos é, na verdade, criada pela água que permeia esses materiais. A água produz um sólido e continua a definir as propriedades desse sólido, mantendo suas propriedades líquidas.

Em seu artigo, os autores agrupam esses e outros materiais em uma nova classe de matéria que eles chamam de “sólidos de hidratação”, que eles dizem “obter a dureza de sua estrutura, a marca registrada do estado sólido, do líquido que permeia seus poros. ” Uma nova compreensão da matéria biológica pode ajudar a responder a perguntas que atormentam os cientistas há anos.

“Acho que este é um momento realmente especial na ciência”, disse Ozgur Şahin, professor de ciências biológicas e física e um dos autores do artigo. “Ele une algo incrivelmente diverso e complexo com uma explicação simples. É uma grande surpresa, um deleite intelectual.”

As novas descobertas surgem da pesquisa em andamento do professor Shaheen sobre o estranho comportamento dos esporos, as células bacterianas adormecidas, descritas aqui. Crédito: Shi Chen

Stephen G. Harrelson, que recentemente completou seus estudos de doutorado no Departamento de Física de Columbia e um dos autores do estudo, usou a metáfora de um edifício para descrever a descoberta da equipe: “Se você pensar em materiais biológicos como um arranha-céu, o edifício molecular os blocos são as estruturas de aço que os mantêm unidos, e a água entre os blocos de construção moleculares.” É o ar dentro das estruturas de aço. Descobrimos que alguns arranha-céus não são sustentados por suas estruturas de aço, mas pelo ar dentro dessas estruturas.”

Shaheen acrescentou: “Essa ideia pode parecer difícil de acreditar, mas resolve mistérios e ajuda a prever a presença de fenômenos interessantes em materiais”.

Quando a água está em sua forma líquida, suas moléculas atingem um delicado equilíbrio entre ordem e desordem. Mas quando as moléculas que compõem os materiais biológicos se combinam com a água, elas fazem pender a balança para o sistema: a água quer voltar ao seu estado original. Como resultado, as moléculas de água afastam as moléculas de matéria biológica. Essa força motriz, chamada de força de reidratação, foi identificada na década de 1970, mas seu efeito sobre a matéria biológica era considerado limitado. O argumento deste novo artigo de que a força da água é o que determina quase toda a natureza da matéria biológica, incluindo quão mole ou dura ela é, é uma surpresa.

Há muito sabemos que os materiais biológicos absorvem a umidade do ambiente. Pense, por exemplo, em uma porta de madeira que se expande durante um período de chuva. No entanto, esta pesquisa mostra que a água circundante é muito mais importante para as propriedades da madeira, fungos, plantas e outros materiais naturais do que sabíamos anteriormente.

A equipe descobriu que colocar a água na frente e no centro permitia que eles descrevessem as propriedades exibidas por materiais orgânicos familiares com uma aritmética muito simples. Modelos anteriores de como a água interage com a matéria orgânica exigiam simulações avançadas de computador para prever as propriedades do material. A simplicidade das fórmulas que a equipe encontrou pode prever essas propriedades indicando que elas estão presentes em algo.

Spirit Island, Jasper National Park, Canadá. “Quando caminhamos na floresta, pensamos nas árvores e plantas ao nosso redor como sólidos típicos”, disse o professor Ozgur Şahin. “Esta pesquisa mostra que devemos realmente pensar nessas árvores e plantas como torres de água contendo açúcares e proteínas no lugar”. Crédito: Terry Ott

Para dar um exemplo, a equipe descobriu que a equação simples E = Al/ descreve com precisão como a elasticidade de um material muda com base em fatores como umidade, temperatura e tamanho de partícula. (E nesta equação denota a elasticidade do material; A é um fator dependente da temperatura e umidade do ambiente; l é o tamanho aproximado das partículas biológicas e é a distância na qual as forças de hidratação perdem sua força.)

“Quanto mais trabalhamos neste projeto, mais simples as respostas se tornam”, disse Harrelson, acrescentando que o experimento é “muito raro na ciência”.

As novas descobertas surgiram da pesquisa em andamento do professor Shaheen sobre o estranho comportamento de germes e células bacterianas dormentes. Durante anos, Shaheen e seus alunos estudaram os micróbios para entender por que eles se expandem fortemente quando a água é adicionada a eles e se contraem quando a água é removida. (Vários anos atrás, Shaheen e seus colegas obtiveram cobertura da mídia por aproveitar essa capacidade de criar pequenas engenhocas semelhantes a motores movidos a esporos.)

Por volta de 2012, Shaheen decidiu recuar e perguntar por que os esporos se comportam dessa maneira. Ele foi acompanhado pelos pesquisadores Michael S. DeLay e Xi Chen, os autores do novo artigo, que eram então membros de seu laboratório. Seus experimentos não forneceram uma solução para o misterioso comportamento dos germes. “Acabamos com mais quebra-cabeças do que quando começamos”, lembra Shaheen. Eles estavam presos, mas os quebra-cabeças que enfrentaram indicavam que havia algo que valia a pena perseguir.

Depois de anos ponderando possíveis explicações, ocorreu a Shaheen que os quebra-cabeças que a equipe enfrenta constantemente poderiam ser explicados se a força da hidratação controlasse a maneira como a água viaja nos esporos.

A equipe teve que realizar mais experimentos para testar a ideia. Em 2018, Harrelson, agora engenheiro de software na empresa de análise de dados Palantir, juntou-se ao projeto.

“Quando abordamos o projeto pela primeira vez, parecia incrivelmente complicado. Estávamos tentando explicar vários efeitos diferentes, cada um com sua própria fórmula insatisfatória. Depois que começamos a usar os poderes hidratantes, cada uma das fórmulas antigas poderia ser removida. Quando apenas o hidratante poderes foram deixados, sentimos que nossos pés finalmente atingiram o chão. Foi incrível e tão relaxante; as coisas fazem sentido “, disse ele.

Os resultados desses experimentos levaram a equipe e seus colaboradores a este artigo. Além de Harrellson, DeLay, Chen e Sahin, outros autores do artigo são Ahmet Hamdi Cavusoglu, Jonathan Durkin, Howard A. Sessenta. Adam Drex, da Loyola University Chicago, que também contribuiu para a pesquisa, morreu antes que o trabalho fosse concluído.

As descobertas do artigo se aplicam a vastas áreas do mundo ao nosso redor: biomateriais higroscópicos – isto é, materiais biológicos que permitem a entrada e saída de água – constituem potencialmente de 50% a 90% do mundo vivo ao nosso redor, incluindo todos os madeira, mas também outros materiais familiares, como bambu, algodão, pinhas, lã, cabelo, unhas, pólen nas plantas, a pele externa dos animais e esporos de bactérias e fungos que ajudam esses organismos a sobreviver e se reproduzir.

O termo cunhado no artigo, “sólidos hidratados”, aplica-se a qualquer material natural que responda à umidade ambiente ao seu redor. Usando as equações que a equipe determinou, eles e outros pesquisadores podem prever as propriedades mecânicas dos materiais a partir dos princípios básicos da física. Até agora, isso era verdade principalmente para os gases, graças à conhecida equação geral dos gases, que os cientistas conhecem desde o século XIX.

“Quando caminhamos pela floresta, pensamos nas árvores e plantas ao nosso redor como sólidos típicos. Esta pesquisa mostra que deveríamos realmente pensar nessas árvores e plantas como torres de água contendo açúcares e proteínas no lugar”, disse Shaheen. ” É realmente um mundo aquático.”

Referência: “Hydration Solids” Por Stephen G. Harrelson, Michael S. Delay, Shi Chen, Ahmet Hamdi Cavusoglu, Jonathan Durkin, Howard A. Stone e Ozgur Sahin, 7 de junho de 2023, disponível aqui. natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06144-y

O estudo foi financiado pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo Escritório de Pesquisa Naval e[{” attribute=””>National Institutes of Health, and the David and Lucile Packard Foundation.