Forskare vid EPFL har upptäckt att viskositeten hos lösningar av elektriskt laddade polymerer lösta i vatten påverkas av en kvanteffekt. Denna lilla kvanteffekt påverkar hur vattenmolekyler interagerar med varandra. Än, det kan leda till drastiska förändringar i storskaliga observationer. Denna effekt kan förändra hur forskare förstår egenskaperna och beteendet för lösningar av biomolekyler i vatten, och leda till en bättre förståelse av biologiska system.

Vatten är grunden för allt liv på jorden. Dess struktur är enkel - två väteatomer bundna till en syreatom - men dess beteende är unikt bland vätskor, och forskare förstår fortfarande inte helt ursprunget till dess särpräglade egenskaper.

När laddade polymerer löses i vatten blir den vattenhaltiga lösningen mer viskös än förväntat. Denna höga viskositet används av naturen i människokroppen. De smörjande och stötdämpande egenskaperna hos ledvätskan-en lösning av vatten och laddade biopolymerer-är det som gör att vi kan böja, sträcka och komprimera våra leder över hela vårt liv utan skador.

I en studie publicerad i Vetenskapliga framsteg , forskare från Laboratory for Fundamental BioPhotonics (LBP) vid EPFL:s tekniska högskola har kastat nytt ljus över viskositeten hos vattenhaltiga lösningar. De visade att i motsats till den traditionella uppfattningen att frånstötande interaktioner mellan polymerer enbart är ansvariga för ökningen av viskositeten, en nukleär kvanteffekt mellan vattenmolekyler spelar också en roll.

"Än så länge, vår förståelse av laddade polymer-vattenlösningar baserades på teorier som behandlade själva vattnet som en bakgrund, "säger Sylvie Roke, chef för LBP. "Vår studie visar att vatten-vatten-interaktioner faktiskt spelar en viktig roll. Detsamma kan också gälla andra fysiska och kemiska processer som påverkar biologin."

Varför vatten är unikt

Vatten härleder sina unika egenskaper från vätebindningar-kortlivade bindningar mellan en syreatom i en vattenmolekyl och en väteatom i en annan-som bryts och omformas hundratusentals miljarder gånger per sekund. Dessa bindningar ger flytande vatten en kortlivad tredimensionell struktur.

Det har länge varit känt att vatten blir mer visköst när laddade polymerer löses i det. Viskositeten påverkas av molekylens storlek och dessutom av laddningen. Anledningen till att laddade polymerer ökar viskositeten mer än neutrala har tillskrivits liknande laddningar på polymererna som stöter bort varandra. I den här studien, dock, EPFL-forskarna fann att de elektriska laddningarna också interagerar med vattenmolekylerna och förändrar vatten-vatten-interaktionerna, ytterligare hindrar flödet av lösningen.

Forskarna mätte viskositeten genom att registrera hur lång tid det tog olika lösningar att flöda ner genom ett smalt rör. De använde också speciell laserteknik, utvecklat på labbet, att undersöka vatten-vatten-interaktioner i samma lösningar på molekylär nivå. De fann att polymererna gjorde vätebindningsnätet mer ordnat vilket, i tur och ordning, korrelerat med en ökning av viskositeten.

Forskarna upprepade sedan experimenten med tungt vatten (D2O), en molekyl som är nästan identisk med lätt vatten (H2O) men har ett något annorlunda vätebindningsnätverk. De fann överraskande stora skillnader i både vatten-vatten-interaktioner och viskositet. Eftersom polymerer stöter bort varandra på samma sätt i både lätt och tungt vatten, de drog slutsatsen att dessa skillnader måste bero på små skillnader i sättet de två molekylerna interagerar, vilket betyder att en nukleär kvanteffekt spelar in.

Deras upptäckt - att klibbigheten hos laddade polymerlösningar delvis härrör från nukleära kvanteffekter i vatten - har grundläggande konsekvenser. "Vatten finns överallt, "förklarar Roke." Det utgör cirka 60% av människokroppen. Dessa insikter om vattnets egenskaper och hur det interagerar med andra molekyler, inklusive biomolekyler, kommer att vara användbart för att utveckla ny teknik - inte bara inom hälso- och biovetenskap, men också inom material- och miljövetenskap. "