Los iones de magnesio ralentizan la dinámica del agua en escalas de longitud corta

May 23, 2023

12 de octubre de 2022

por Forschungsverbund Berlín eV (FVB)

La presencia de iones afecta la estructura y la dinámica del agua en una multitud de escalas de duración y tiempo. Los nuevos resultados de la espectroscopia ultrarrápida y los análisis teóricos muestran que el entorno del agua de pares específicos de iones de magnesio y sulfato tiene un impacto decisivo en la dinámica de las soluciones acuosas.

El agua líquida, el medio nativo para los procesos bioquímicos y celulares, consiste en una red compleja de moléculas polares conectadas por puentes de hidrógeno. El agua responde a la presencia de un soluto cambiando su estructura local. La influencia de los iones cargados negativa y positivamente en el agua líquida generalmente se clasifica a través de la serie de Hofmeister, que clasifica los iones según su capacidad para estructurar el agua que los rodea o para alterar la estructura del agua.

El origen microscópico y los mecanismos moleculares de la serie de Hoffmeister son controvertidos, a pesar de muchos años de investigación. Sin embargo, la serie de Hoffmeister tiene gran relevancia porque caracteriza la influencia que ejercen los iones sobre biomoléculas disueltas en agua.

Experimentos y simulaciones recientes ahora han revelado una influencia significativamente más compleja de los iones en la dinámica de las moléculas de agua circundantes. El estudio, publicado en la revista ACS Physical Chemistry Au, combina experimentos espectroscópicos con análisis teóricos en profundidad de las interacciones y dinámicas moleculares.

Los investigadores del Instituto Max Born de Berlín, la Freie Universität de Berlín y la Universidad Ludwig-Maximilian de Múnich utilizaron las vibraciones de estiramiento asimétricas de los iones de sulfato (SO42-) como sondas sensibles a nivel local para mapear las propiedades dinámicas del medio ambiente. En este contexto, los iones de sulfato hidratados son un sistema modelo prototípico, ya que se encuentran comúnmente en minerales y son de gran importancia en fisiología y bioquímica.

Para obtener información sobre el ambiente de hidratación local, los investigadores utilizaron la técnica experimental de espectroscopía infrarroja bidimensional en el dominio del tiempo de femtosegundos y compararon el comportamiento de los iones de sulfato en presencia de iones de sodio (Na+) o magnesio (Mg2+) en bajas concentraciones de iones.

Encuentran que la presencia de iones Mg2+ reduce las fluctuaciones ultrarrápidas de la capa de agua alrededor de un ion sulfato, lo que lleva a una desaceleración específica en la dinámica de solvatación del MgSO4 hidratado en comparación con las soluciones acuosas de Na2SO4.

Las simulaciones extensas brindan una vista microscópica de la dinámica observada y revelan una imagen molecular en la que la desaceleración de la dinámica del agua surge de las características estructurales de los pares de iones SO42--Mg2+ que comparten moléculas de agua en sus capas de hidratación.

Contrariamente a la descripción generalizada en la literatura, los efectos descritos son de corto alcance y se limitan a las primeras 1-2 capas de agua alrededor del ion sulfato. En contraste con la serie de Hoffmeister, que clasifica el efecto de los tipos de iones en la estructura del agua, los nuevos resultados demuestran una relevancia particular de las geometrías de solvatación individuales de pares de iones específicos para la dinámica de los sistemas acuosos diluidos.

Más información: Achintya Kundu et al, Desaceleración cooperativa de corto alcance de la dinámica de solvatación del agua alrededor de los pares de iones SO42-–Mg2+, ACS Physical Chemistry Au (2022). DOI: 10.1021/acsphyschemau.2c00034

Proporcionado por Forschungsverbund Berlin eV (FVB)