La civilisation moderne repose sur l'incompressibilité de l'eau, c'est quelque chose que nous tenons pour acquis. Les systèmes hydrauliques exploitent la quasi-incompressibilité des fluides comme l'eau ou l'huile pour multiplier la force mécanique. Bulldozers, grues, et d'autres machines lourdes exploitent la physique de l'hydraulique, tout comme les freins automobiles, systèmes de gicleurs d'incendie, et les réseaux municipaux d'aqueduc et d'égout. Il faut une pression extraordinaire pour comprimer l'eau. Même au fond des océans les plus profonds, deux milles et demi sous la surface, où la pression est égale à environ 1000 atmosphères, l'eau n'est comprimée que de 5 pour cent.

Mais maintenant, des scientifiques de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign ont prédit une nouvelle physique régissant la compression de l'eau sous un champ électrique à gradient élevé.

Le professeur de physique Aleksei Aksimentiev et son chercheur post-doctoral James Wilson ont découvert qu'un champ électrique élevé appliqué à un petit trou dans une membrane de graphène compresserait les molécules d'eau traversant le pore de 3 %. La compression d'eau prévue pourrait éventuellement s'avérer utile dans le filtrage de haute précision de biomolécules pour la recherche biomédicale.

Ces résultats ont été publiés le 26 juin 2018, dans Lettres d'examen physique (120, 268101) comme suggestion de l'éditeur.Aksimentiev remarque, "C'est un phénomène inattendu, contrairement à ce que nous pensions savoir sur le transport des nanopores. Il a fallu trois ans pour comprendre ce que les simulations nous montraient. Après avoir exploré de nombreuses solutions potentielles, la percée s'est produite lorsque nous avons réalisé que nous ne devrions pas supposer que l'eau est incompressible. Maintenant que nous comprenons ce qui se passe dans les simulations informatiques, nous sommes capables de reproduire ce phénomène dans des calculs théoriques."

Les scientifiques ont entrepris cette étude pour tester de nouvelles méthodes de séquençage de l'ADN graphène-nanopore. Au cours des deux dernières années, les nanopores de graphène se sont révélés extrêmement prometteurs pour le séquençage de l'ADN peu coûteux. La façon dont ça marche, L'ADN est mis en suspension dans l'eau puis l'ADN, l'eau et les ions sont attirés par un champ électrique à travers un petit trou dans une membrane de graphène. Le champ électrique appliqué à travers la feuille de graphène attire les ions dissous et toutes les particules chargées - l'ADN est une particule chargée négativement. Les quatre nucléobases de l'ADN sont interprétées comme les différences dans le flux d'ions que chaque nucléobase de forme distincte produit.

La taille du trou et la minceur de la feuille sont critiques pour cette méthode. La feuille de graphène n'a qu'un atome d'épaisseur, le diamètre du nanopore ne mesure que 3 nanomètres environ soit la largeur de 10 atomes, et les molécules d'ADN mesurent environ 2 nanomètres de largeur.

Dans cette étude, Aksimentiev et Wilson ont entrepris de développer un modèle informatique qui leur permettrait de contrôler la vitesse de transport de l'ADN à travers un nanopore de graphène. Ils savaient que l'augmentation du champ électrique appliqué devrait augmenter la vitesse de transport par le même multiple, mais quand ils ont décuplé le champ, l'ADN a été complètement bloqué de passer à travers le trou.

Wilson décrit ce qu'il a vu dans la simulation :"Nous essayions de voir si nous modifiions la charge sur la feuille de graphène, si cela changerait le taux de capture de l'ADN comme prévu. Nos simulations ont montré que l'ADN traverse le nanopore comme prévu à des champs électriques plus faibles, mais quand vous appliquez 1 volt, l'ADN a l'air de danser au-dessus du nanopore, comme s'il voulait passer, mais pour une raison quelconque, il ne peut pas.

"Il s'avère que le gradient du champ électrique est ce qui comprime l'eau, car l'eau est un diélectrique. Un champ électrique très élevé ne le fera pas, seulement un champ qui change dans l'espace. Les charges sur la molécule d'eau s'alignent avec le champ électrique, et les charges les plus proches de l'endroit où le champ électrique est le plus élevé sont tirées plus fort que les charges les plus proches de l'endroit où le champ électrique est le plus faible."

Aksimentiev ajoute, "Tout cela ne fonctionne que parce que la membrane est si fine, et le champ électrique est focalisé là où se trouve la membrane, comprimer la molécule d'eau des deux côtés. La compression n'est que de 3 pour cent, mais cela met l'eau sous pression - c'est l'équivalent de 100 atmosphères - et la pression repousse essentiellement l'ADN afin qu'il ne puisse pas traverser le nanopore. "Wilson continue, "Once we worked out what was actually happening is compression of the water, we spoke with experimentalists working with graphene nanopores. We've learned that this phenomenon may already have been observed in the laboratory. Apparently people have seen it, but they couldn't explain it. The experiments will need to be repeated to validate our theory."

Aksimentiev concludes, "We had originally set out to use this work for DNA sequencing. But now we think we can use it for identifying and separating biomolecules that are very similar but have some small difference. For example, you could have many of the same protein, but some might carry one very small mark—one posttranslational modification—that alters its charge. That difference of just one electron would determine whether the molecule passes through the nanopore or not, because that's a function of charge. So we could potentially use this new phenomenon of water compression to very precisely filter biomolecules."