Des chercheurs de l'EPFL ont découvert que la viscosité des solutions de polymères chargés électriquement dissous dans l'eau est influencée par un effet quantique. Ce petit effet quantique influence la façon dont les molécules d'eau interagissent les unes avec les autres. Encore, cela peut conduire à des changements drastiques dans les observations à grande échelle. Cet effet pourrait changer la façon dont les scientifiques comprennent les propriétés et le comportement des solutions de biomolécules dans l'eau, et conduire à une meilleure compréhension des systèmes biologiques.

L'eau est la base de toute vie sur terre. Sa structure est simple - deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène - mais son comportement est unique parmi les liquides, et les scientifiques ne comprennent toujours pas pleinement les origines de ses propriétés distinctives.

Lorsque les polymères chargés sont dissous dans l'eau, la solution aqueuse devient plus visqueuse que prévu. Cette viscosité élevée est utilisée par la nature dans le corps humain. Les propriétés lubrifiantes et absorbant les chocs du liquide synovial - une solution d'eau et de biopolymères chargés - sont ce qui nous permet de plier, étirer et comprimer nos articulations pendant toute notre vie sans dommage.

Dans une étude publiée dans Avancées scientifiques , des chercheurs du Laboratoire de biophotonique fondamentale (LBP) de l'École d'ingénieurs de l'EPFL ont apporté un nouvel éclairage sur la viscosité des solutions aqueuses. Ils ont montré que, contrairement à l'idée traditionnelle selon laquelle les interactions répulsives entre polymères sont seules responsables de l'augmentation de la viscosité, un effet quantique nucléaire entre les molécules d'eau a également un rôle à jouer.

"Jusque là, notre compréhension des solutions polymère-eau chargées était basée sur des théories qui traitaient l'eau elle-même comme arrière-plan, " dit Sylvie Roke, chef de la LBP. "Notre étude montre que les interactions eau-eau jouent en fait un rôle important. Il pourrait en être de même pour d'autres processus physiques et chimiques qui influencent la biologie."

Pourquoi l'eau est unique

L'eau tire ses propriétés uniques des liaisons hydrogène - des liaisons de courte durée entre un atome d'oxygène d'une molécule d'eau et un atome d'hydrogène d'une autre - qui se brisent et se reforment des centaines de milliers de milliards de fois par seconde. Ces liaisons donnent à l'eau liquide une structure tridimensionnelle de courte durée.

On sait depuis longtemps que l'eau devient plus visqueuse lorsque des polymères chargés y sont dissous. La viscosité est influencée par la taille de la molécule et en plus par la charge. La raison pour laquelle les polymères chargés augmentent la viscosité plus que les polymères neutres a été attribuée à des charges similaires sur les polymères qui se repoussent les unes les autres. Dans cette étude, cependant, les chercheurs de l'EPFL ont découvert que les charges électriques interagissent également avec les molécules d'eau et modifient les interactions eau-eau, entravant davantage l'écoulement de la solution.

Les chercheurs ont mesuré la viscosité en enregistrant le temps qu'il a fallu à différentes solutions pour s'écouler à travers un tube étroit. Ils ont également utilisé une technologie laser spéciale, développé au laboratoire, pour sonder les interactions eau-eau dans les mêmes solutions au niveau moléculaire. Ils ont découvert que les polymères rendaient le réseau de liaisons hydrogène plus ordonné, ce qui, à son tour, corrélée à une augmentation de la viscosité.

Les chercheurs ont ensuite répété les expériences avec de l'eau lourde (D2O), une molécule qui est presque identique à l'eau légère (H2O) mais qui possède un réseau de liaisons hydrogène légèrement différent. Ils ont trouvé des différences étonnamment importantes dans les interactions eau-eau et la viscosité. Étant donné que les polymères se repoussent de la même manière dans l'eau légère et lourde, ils ont conclu que ces différences doivent provenir de petites différences dans la façon dont les deux molécules interagissent, ce qui signifie qu'un effet quantique nucléaire est en jeu.

Leur découverte - que le caractère collant des solutions de polymères chargés provient en partie des effets quantiques nucléaires dans l'eau - a des implications fondamentales. "L'eau est partout, " explique Roke. " Il représente environ 60 % du corps humain. Ces connaissances sur les propriétés de l'eau et la façon dont elle interagit avec d'autres molécules, y compris les biomolécules, s'avérera utile pour le développement de nouvelles technologies, pas seulement dans les domaines de la santé et des biosciences, mais aussi en sciences des matériaux et de l'environnement."