Les ions magnésium ralentissent la dynamique de l'eau sur de courtes échelles de longueur

Apr 14, 2023

12 octobre 2022

par Forschungsverbund Berlin eV (FVB)

La présence d'ions affecte la structure et la dynamique de l'eau sur une multitude d'échelles de longueur et de temps. De nouveaux résultats de spectroscopie ultrarapide et d'analyses théoriques montrent que l'environnement hydrique de paires spécifiques d'ions magnésium et sulfate a un impact décisif sur la dynamique des solutions aqueuses.

L'eau liquide, milieu natif des processus biochimiques et cellulaires, est constituée d'un réseau complexe de molécules polaires reliées par des liaisons hydrogène. L'eau réagit à la présence d'un soluté en modifiant sa structure locale. L'influence des ions chargés négativement et positivement sur l'eau liquide est généralement classée via la série Hofmeister qui classe les ions en fonction de leur capacité à structurer l'eau autour d'eux ou à perturber la structure de l'eau.

L'origine microscopique et les mécanismes moléculaires de la série Hoffmeister sont controversés, malgré de nombreuses années de recherche. Cependant, la série Hoffmeister a une grande pertinence car elle caractérise l'influence que les ions exercent sur les biomolécules dissoutes dans l'eau.

Des expériences et des simulations récentes ont maintenant révélé une influence beaucoup plus complexe des ions sur la dynamique des molécules d'eau environnantes. L'étude, publiée dans la revue ACS Physical Chemistry Au, combine des expériences spectroscopiques avec des analyses théoriques approfondies des interactions et de la dynamique moléculaires.

Les chercheurs du Max Born Institute de Berlin, de la Freie Universität Berlin et de la Ludwig-Maximilian-University de Munich ont utilisé les vibrations d'étirement asymétriques des ions sulfate (SO42-) comme sondes localement sensibles pour cartographier les propriétés dynamiques de l'environnement. Dans ce contexte, les ions sulfate hydratés sont un système modèle prototypique, car ils se trouvent couramment dans les minéraux et sont d'une grande importance en physiologie et en biochimie.

Afin d'obtenir des informations sur l'environnement d'hydratation local, les chercheurs ont utilisé la technique expérimentale de la spectroscopie infrarouge bidimensionnelle dans le domaine temporel femtoseconde et ont comparé le comportement des ions sulfate en présence d'ions sodium (Na+) ou magnésium (Mg2+) à faibles concentrations d'ions.

Ils constatent que la présence d'ions Mg2+ réduit les fluctuations ultrarapides de la couche d'eau autour d'un ion sulfate, entraînant un ralentissement spécifique de la dynamique de solvatation du MgSO4 hydraté par rapport aux solutions aqueuses de Na2SO4.

Des simulations approfondies fournissent une vue microscopique de la dynamique observée et révèlent une image moléculaire dans laquelle le ralentissement de la dynamique de l'eau provient des caractéristiques structurelles des paires d'ions SO42--Mg2+ qui partagent des molécules d'eau dans leurs coquilles d'hydratation.

Contrairement à ce qui est largement répandu dans la littérature, les effets décrits sont de courte portée et limités aux 1-2 premières couches d'eau autour de l'ion sulfate. Contrairement à la série Hoffmeister, qui classe l'effet des types d'ions sur la structure de l'eau, les nouveaux résultats démontrent une pertinence particulière des géométries de solvatation individuelles de paires d'ions spécifiques pour la dynamique des systèmes aqueux dilués.

Plus d'information: Achintya Kundu et al, Ralentissement coopératif à courte portée de la dynamique de solvatation de l'eau autour des paires d'ions SO42-–Mg2+, ACS Physical Chemistry Au (2022). DOI : 10.1021/acsphyschemau.2c00034

Fourni par Forschungsverbund Berlin eV (FVB)