哥伦比亚科学家发现水分子决定了我们周围的物质

几十年来，物理和化学领域一直认为构成自然界的原子和分子定义了固体物质的特性。盐晶体的结晶质量来自钠离子和氯离子之间的离子键，铁或铜等金属的强度来自铁或铜原子之间的金属键，橡胶的弹性来自构成橡胶的聚合物中的柔性键。同样的原理也适用于真菌、细菌和木材等材料。

或者故事是这样的。

今天发表在 《自然》 杂志上的一篇新论文颠覆了这种范式，并认为许多生物材料的特性实际上是由渗透这些材料的水创造的。水产生固体并继续定义该固体的特性，同时保持其液体特性。在他们的论文中，作者将这些材料和其他材料归为一类新物质，他们称之为“水合固体”，他们说这些物质“从渗透到它们孔隙中的流体中获得结构刚性，即固态的决定性特征。” 对生物物质的新认识有助于回答困扰科学家多年的问题。

“我认为这是科学界一个非常特殊的时刻，” 生物科学与物理学教授、该论文的作者之一奥兹古尔·沙欣 (Ozgur Sahin)说。“它通过简单的解释统一了难以置信的多样性和复杂性。这是一个巨大的惊喜，一种智力上的愉悦。”

Steven G. Harrellson 最近在 哥伦比亚大学物理系完成了博士研究，并且是该研究的作者，他使用建筑物的比喻来描述团队的发现：“如果你把生物材料想象成摩天大楼，分子构建块是支撑它们的钢架，分子积木之间的水是钢架内的空气。我们发现有些摩天大楼不是靠钢架支撑，而是靠框架内的空气支撑。”

“这个想法可能看起来难以置信，但它解开了谜团并有助于预测材料中令人兴奋的现象的存在，”Sahin 补充道。

当水处于液态时，它的分子在有序和无序之间取得微妙的平衡。但是，当构成生物材料的分子与水结合时，它们会使平衡朝着有序的方向倾斜：水想要恢复到其原始状态。结果，水分子将生物物质的分子推开。这种称为水合力的推动力在 1970 年代被发现，但它对生物物质的影响被认为是有限的。这篇新论文的论点是，水合力几乎完全决定了生物物质的特性，包括它的软硬程度，因此令人惊讶。

我们早就知道生物材料会吸收环境水分。例如，想想一扇木门，它会在潮湿的天气中膨胀。然而，这项研究表明，环境水对木材、真菌、植物和其他天然材料的特性的影响比我们所知道的要重要得多。

该团队发现，将水放在前面和中间可以让他们用非常简单的数学来描述熟悉的有机材料所显示的特征。以前关于水如何与有机物相互作用的模型需要先进的计算机模拟来预测材料的特性。该团队发现的可以预测这些属性的公式的简单性表明他们正在做一些事情。

举个例子，该团队发现简单的方程 E=Al/λ 巧妙地描述了材料的弹性如何根据湿度、温度和分子大小等因素发生变化。(这个方程中的E 指的是材料的弹性; A 是一个取决于环境温度和湿度的因素; l 是生物分子的近似大小， λ 是水合力失去强度的距离)。

“我们在这个项目上做的越多，答案就越简单，”Harrellson 说，并补充说这种经历“在科学界非常罕见”。

新发现来自 Sahin 教授对孢子、休眠细菌细胞的奇怪行为的持续研究。多年来，Sahin 和他的学生们一直在研究孢子，以了解为什么它们在加水时会剧烈膨胀，而在水分流失时会收缩

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