Onderzoekers van EPFL hebben ontdekt dat de viscositeit van oplossingen van elektrisch geladen polymeren opgelost in water wordt beïnvloed door een kwantumeffect. Dit kleine kwantumeffect beïnvloedt de manier waarop watermoleculen met elkaar omgaan. Nog, het kan leiden tot drastische veranderingen in grootschalige waarnemingen. Dit effect zou de manier kunnen veranderen waarop wetenschappers de eigenschappen en het gedrag van oplossingen van biomoleculen in water begrijpen, en leiden tot een beter begrip van biologische systemen.

Water is de basis van al het leven op aarde. De structuur is eenvoudig - twee waterstofatomen gebonden aan één zuurstofatoom - maar het gedrag is uniek onder vloeistoffen, en wetenschappers begrijpen de oorsprong van zijn onderscheidende eigenschappen nog steeds niet volledig.

Wanneer geladen polymeren in water worden opgelost, wordt de waterige oplossing viskeuzer dan verwacht. Deze hoge viscositeit wordt door de natuur gebruikt in het menselijk lichaam. De smerende en schokabsorberende eigenschappen van de gewrichtsvloeistof - een oplossing van water en geladen biopolymeren - is wat ons in staat stelt te buigen, rekken en comprimeren onze gewrichten gedurende ons hele leven zonder schade.

In een studie gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , onderzoekers van het Laboratory for Fundamental BioPhotonics (LBP) van EPFL's School of Engineering hebben nieuw licht geworpen op de viscositeit van waterige oplossingen. Dat lieten ze zien, in tegenstelling tot de traditionele opvatting dat alleen afstotelijke interacties tussen polymeren verantwoordelijk zijn voor de toename van de viscositeit, een nucleair kwantumeffect tussen watermoleculen speelt ook een rol.

"Tot dusver, ons begrip van geladen polymeer-wateroplossingen was gebaseerd op theorieën die het water zelf als achtergrond beschouwden, " zegt Sylvie Roke, hoofd van de LBP. "Onze studie laat zien dat water-water-interacties eigenlijk een belangrijke rol spelen. Hetzelfde zou ook kunnen gelden voor andere fysische en chemische processen die de biologie beïnvloeden."

Waarom water uniek is

Water ontleent zijn unieke eigenschappen aan waterstofbruggen - kortstondige bindingen tussen een zuurstofatoom van het ene watermolecuul en een waterstofatoom van een ander - die honderdduizenden miljarden keren per seconde breken en opnieuw vormen. Deze bindingen geven vloeibaar water een kortstondige driedimensionale structuur.

Het is al lang bekend dat water viskeuzer wordt als er geladen polymeren in worden opgelost. De viscositeit wordt beïnvloed door de grootte van het molecuul en bovendien door de lading. De reden waarom geladen polymeren de viscositeit meer verhogen dan neutrale, wordt toegeschreven aan soortgelijke ladingen op de polymeren die elkaar afstoten. In dit onderzoek, echter, de EPFL-onderzoekers ontdekten dat de elektrische ladingen ook interageren met de watermoleculen en de water-water-interacties veranderen, verdere belemmering van de stroom van de oplossing.

De onderzoekers maten de viscositeit door vast te leggen hoe lang het duurde voordat verschillende oplossingen door een smalle buis naar beneden vloeiden. Ze gebruikten ook speciale lasertechnologie, ontwikkeld in het laboratorium, om water-water interacties in dezelfde oplossingen op moleculair niveau te onderzoeken. Ze ontdekten dat de polymeren het netwerk van waterstofbruggen meer geordend maakten, wat, beurtelings, gecorreleerd met een toename van de viscositeit.

Daarna herhaalden de onderzoekers de experimenten met zwaar water (D2O), een molecuul dat bijna identiek is aan licht water (H2O) maar een iets ander waterstofbindingsnetwerk heeft. Ze vonden verrassend grote verschillen in zowel water-waterinteracties als viscositeit. Omdat polymeren elkaar op dezelfde manier afstoten in zowel licht als zwaar water, ze concludeerden dat deze verschillen moeten voortkomen uit kleine verschillen in de manier waarop de twee moleculen op elkaar inwerken, wat betekent dat er een nucleair kwantumeffect in het spel is.

Hun ontdekking - dat de plakkerigheid van geladen polymeeroplossingen gedeeltelijk voortkomt uit nucleaire kwantumeffecten in water - heeft fundamentele implicaties. "Water is overal, " legt Roke uit. "Het maakt ongeveer 60% van het menselijk lichaam uit. Deze inzichten in de eigenschappen van water en hoe het interageert met andere moleculen, inclusief biomoleculen, nuttig zal blijken voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën, niet alleen in de gezondheids- en biowetenschappen, maar ook in materiaal- en milieukunde."