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Durante décadas, os campos da física e da química sustentaram que os átomos e moléculas que compõem o mundo natural definem o caráter da matéria sólida. Os cristais de sal obtêm sua qualidade cristalina da ligação iônica entre os íons de sódio e cloreto, metais como ferro ou cobre obtêm sua força das ligações metálicas entre átomos de ferro ou cobre e as borrachas obtêm sua elasticidade das ligações flexíveis dentro dos polímeros que constituem a borracha. O mesmo princípio se aplica a materiais como fungos, bactérias e madeira.
Ou então a história continua.
Um novo artigo publicado hoje na Natureza derruba esse paradigma e argumenta que o caráter de muitos materiais biológicos é realmente criado pela água que permeia esses materiais. A água dá origem a um sólido e passa a definir as propriedades desse sólido, mantendo ao mesmo tempo suas características 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 “adquirir sua rigidez estrutural, a característica definidora do estado sólido, do fluido que permeia seus poros”. A nova compreensão da matéria biológica pode ajudar a responder a perguntas que perseguem os cientistas há anos.
“Acho que este é um momento realmente especial na ciência”, disse Ozgur Sahin, professor de Ciências Biológicas e Física e um dos autores do artigo. “É unificar algo incrivelmente diverso e complexo com uma explicação simples. É uma grande surpresa, um deleite intelectual.”
Steven G. Harrellson, que recentemente completou estudos de doutorado no departamento de física de Columbia e é 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, os blocos de construção moleculares são as estruturas de aço que os sustentam, 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.”
“Essa ideia pode parecer difícil de acreditar, mas resolve mistérios e ajuda a prever a existência de fenômenos emocionantes em materiais”, acrescentou Sahin.
Quando a água está em sua forma líquida, suas moléculas atingem um equilíbrio delicado entre ordem e desordem. Mas quando as moléculas que formam os materiais biológicos se combinam com a água, elas inclinam a balança para a ordem: a água quer voltar ao seu estado original. Como resultado, as moléculas de água empurram as moléculas da matéria biológica para longe. Essa força de impulso, chamada de força de hidratação, foi identificada na década de 1970, mas seu impacto na matéria biológica era considerado limitado. O argumento deste novo artigo de que a força de hidratação é o que define o caráter da matéria biológica quase inteiramente, incluindo o quão mole ou duro 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 umidade. Esta pesquisa, no entanto, mostra que a água ambiente é muito mais importante para o caráter da madeira, fungos, plantas e outros materiais naturais do que jamais sabíamos.
A equipe descobriu que trazer água para a frente e para o centro permitiu que eles descrevessem as características que os materiais orgânicos familiares exibem com uma matemática 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 para prever essas propriedades sugere que eles estão no caminho certo.
Para dar um exemplo, a equipe descobriu que a equação simples E=Al/λ descreve claramente como a elasticidade de um material muda com base em fatores como umidade, temperatura e tamanho da molécula. (E nesta equação refere-se à elasticidade de um material; A é um fator que depende da temperatura e umidade do ambiente; eu é o tamanho aproximado de moléculas biológicas e λ é a distância na qual as forças de hidratação perdem sua força).
“Quanto mais trabalhávamos neste projeto, mais simples as respostas se tornavam”, disse Harrellson, acrescentando que a experiência “é muito rara na ciência”.
As novas descobertas surgiram da pesquisa em andamento do professor Sahin sobre o estranho comportamento dos esporos, células bacterianas dormentes. Durante anos, Sahin e seus alunos estudaram os esporos para entender por que eles se expandem com força quando a água é adicionada a eles e se contraem quando a água é removida. (Vários anos atrás, Sahin e seus colegas obtiveram cobertura da mídia por aproveitar essa capacidade de criar pequenas engenhocas semelhantes a motores alimentadas por esporos.)
Por volta de 2012, Sahin decidiu dar um passo atrás para perguntar por que os esporos se comportam dessa maneira. Ele foi acompanhado pelos pesquisadores Michael S. DeLay e Xi Chen, autores do novo artigo, que eram então membros de seu laboratório. Seus experimentos não forneceram uma solução para o misterioso comportamento dos esporos. “Acabamos com mais mistérios do que quando começamos”, lembra Sahin. Eles estavam presos, mas os mistérios que encontraram sugeriam que havia algo que valia a pena perseguir.
Depois de anos ponderando possíveis explicações, ocorreu a Sahin que os mistérios que a equipe encontrava continuamente poderiam ser explicados se a força de hidratação governasse a maneira como a água se movia nos esporos.
A equipe teve que fazer mais experimentos para testar a ideia. Em 2018, Harrellson, que agora é engenheiro de software na empresa de análise de dados Palantir, juntou-se ao projeto.
“Quando inicialmente abordamos o projeto, parecia impossivelmente complicado. Estávamos tentando explicar vários efeitos diferentes, cada um com sua própria fórmula insatisfatória. Depois que começamos a usar as forças de hidratação, todas as fórmulas antigas poderiam ser removidas. Quando apenas a hidratação sobraram forças, parecia que nossos pés finalmente tocaram o chão. Foi incrível, e um alívio enorme, as coisas fizeram sentido”, disse ele.
Os resultados desses experimentos levaram a equipe e seus colaboradores a este artigo. Além de Harrellson, DeLay, Chen e Sahin, os outros autores do artigo são Ahmet-Hamdi Cavusoglu, Jonathan Dworkin e Howard A. Stone. Adam Driks, da Loyola University Chicago, que também contribuiu com a pesquisa, faleceu antes da conclusão do trabalho. O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Escritório de Ciências e Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos; pelo Escritório de Pesquisa Naval; pelos Institutos Nacionais de Saúde; e pelo Programa de Companheiros David e Lucile Packard.
As descobertas do artigo se aplicam a grandes quantidades do mundo ao nosso redor: materiais biológicos higroscópicos – isto é, materiais biológicos que permitem que a água entre e saia deles – constituem potencialmente de 50% a 90% do mundo vivo ao nosso redor, incluindo todos os da madeira do mundo, mas também outros materiais familiares como bambu, algodão, pinhas, lã, cabelo, unhas, grãos de pólen em plantas, a pele externa de animais e esporos de bactérias e fungos que ajudam esses organismos a sobreviver e se reproduzir.
O termo cunhado no artigo, “sólidos de hidratação”, aplica-se a qualquer material natural que responda à umidade do ambiente ao seu redor. Com as equações que a equipe identificou, eles e outros pesquisadores agora podem prever as propriedades mecânicas dos materiais a partir de princípios físicos básicos. Até agora isso era verdade principalmente para os gases, graças à conhecida equação geral dos gases, conhecida pelos cientistas desde o século 19.º século.
“Quando caminhamos na floresta, pensamos nas árvores e plantas ao nosso redor como sólidos típicos. Esta pesquisa mostra que devemos realmente pensar nessas árvores e plantas como torres de água contendo açúcares e proteínas no lugar”, disse Sahin. : “É realmente o mundo da água.”
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