Предотвращение образования кристаллов льда внутри машины — одна из основных забот автолюбителей зимой. Мы добавляем антифриз (смесь этиленгликоля и воды) в радиаторы наших автомобилей, чтобы предотвратить их замерзание. Даже в природе существует такая тактика, клетки некоторых организмов вырабатывают белки антифриза для предотвращения смертельного образования кристаллов льда. Все эти процессы работают благодаря химической концепции, известной как «понижение точки замерзания».
Кстати, зима в разгаре и незамерзайка оптом в Иркутске будет весьма кстати.
Степень понижения температуры замерзания основана на двух факторах:
- Количество присутствующих растворенных частиц (характеристика, известная как «коллективное свойство»).
- Природа растворенных частиц.
Попытаемся пролить свет на депрессию точки замерзания, а именно, какие свойства антифризов вызывают наибольшее падение точки замерзания и наибольшее снижение роста кристаллов льда. Для этого используем короткие органические полимеры, называемые пептоидами, которые по своей структуре схожи с пептидами (короткие белки).
Молекулярное строение антифриза
N — это «азот», а O — «кислород», в то время как R — это какая-то общая органическая боковая цепь. Структура данной молекулы может повторяться снова и снова. Изменяя группу R и количество повторяющихся единиц, ученые могли бы систематически анализировать, как это влияет на температуру замерзания воды и скорость роста кристаллов льда.
Они проанализировали три различные группы R: метил (-CH3), этилметиловый эфир (-CH2CH2-O-CH3) и этиловый спирт (-CH2CH2OH). Для контроля использовали глицерин и короткий пептид из повторяющихся единиц серина — аминокислоты, похожей по структуре на пептоид, изготовленный из этилового спирта.
Пептоид с 3 повторяющимися блоками, несущими боковую цепь этилового спирта, является наиболее эффективной экспериментальной молекулой, так как он одновременно понижает температуру замерзания воды и значительно замедляет скорость роста льда. Это в меньшей степени связано с коллигативными эффектами (т.е. с количеством присутствующих молекул), а в большей — с присущей самой молекуле природой. Другими словами, ключевое значение для этих способностей имела ее специфическая структура.
Если молекула имеет 4 или 5 повторяющихся единиц, то температура замерзания воды все равно понижается, но скорость роста льда увеличивается. Однако, если будет 6 повторяющихся единиц, то скорость роста льда снова снижается.
Эти исследования показывают, насколько сложен, на первый взгляд, простой процесс замерзания воды. Ученые заложили основу для дальнейших исследований по обнаружению наиболее эффективных молекул антифриза.