Væskestrømmen er påvirket af en kvanteeffekt i vand

Forskere ved EPFL har opdaget, at viskositeten af ​​opløsninger af elektrisk ladede polymerer opløst i vand er påvirket af en kvanteeffekt. Denne lille kvanteeffekt påvirker den måde, hvorpå vandmolekyler interagerer med hinanden. Endnu, det kan føre til drastiske ændringer i store observationer. Denne effekt kan ændre den måde, forskere forstår egenskaberne og adfærden af ​​opløsninger af biomolekyler i vand, og føre til en bedre forståelse af biologiske systemer.

Vand er grundlaget for alt liv på jorden. Dens struktur er enkel - to hydrogenatomer bundet til et oxygenatom - men dens adfærd er unik blandt væsker, og videnskabsmænd forstår stadig ikke fuldt ud oprindelsen af ​​dets karakteristiske egenskaber.

Når ladede polymerer opløses i vand, bliver den vandige opløsning mere viskøs end forventet. Denne høje viskositet bruges af naturen i den menneskelige krop. Synovialvæskens smørende og stødabsorberende egenskaber - en opløsning af vand og ladede biopolymerer - er det, der tillader os at bøje, strække og komprimere vores led gennem hele vores liv uden skader.

I en undersøgelse offentliggjort i Videnskab fremskridt , forskere fra Laboratory for Fundamental BioPhotonics (LBP) ved EPFL's School of Engineering har kastet nyt lys over viskositeten af ​​vandige opløsninger. De viste, at i modsætning til den traditionelle opfattelse, at frastødende interaktioner mellem polymerer alene er ansvarlige for stigningen i viskositet, en nuklear kvanteeffekt mellem vandmolekyler spiller også en rolle.

"Indtil nu, vores forståelse af ladede polymer-vandløsninger var baseret på teorier, der behandlede selve vandet som en baggrund, " siger Sylvie Roke, leder af LBP. "Vores undersøgelse viser, at vand-vand-interaktioner faktisk spiller en vigtig rolle. Det samme kunne også være tilfældet med andre fysiske og kemiske processer, der påvirker biologien."

Hvorfor vand er unikt

Vand stammer sine unikke egenskaber fra hydrogenbindinger-kortvarige bindinger mellem et oxygenatom i et vandmolekyle og et hydrogenatom i et andet-der bryder og danner hundrede tusinder af milliarder gange i sekundet. Disse bindinger giver flydende vand en kortvarig tredimensionel struktur.

Det har længe været kendt, at vand bliver mere tyktflydende, når ladede polymerer opløses i det. Viskositeten påvirkes af molekylets størrelse og desuden af ​​ladningen. Grunden til, at ladede polymerer øger viskositeten mere end neutrale, er blevet tilskrevet lignende ladninger på polymererne, der afviser hinanden. I dette studie, imidlertid, EPFL-forskerne fandt ud af, at de elektriske ladninger også interagerer med vandmolekylerne og ændrer vand-vand-interaktionerne, yderligere hæmmer strømmen af ​​opløsningen.

Forskerne målte viskositeten ved at registrere, hvor lang tid det tog forskellige opløsninger at strømme ned gennem et smalt rør. De brugte også speciel laserteknologi, udviklet på laboratoriet, at undersøge vand-vand-interaktioner i de samme opløsninger på molekylært niveau. De fandt ud af, at polymererne gjorde hydrogenbindingsnetværket mere ordnet, hvilket, på tur, korreleret med en stigning i viskositeten.

Forskerne gentog derefter forsøgene med tungt vand (D2O), et molekyle, der er næsten identisk med let vand (H2O), men som har et lidt anderledes hydrogenbindingsnetværk. De fandt overraskende store forskelle i både vand-vand-interaktioner og viskositet. Da polymerer frastøder hinanden på samme måde i både let og tungt vand, de konkluderede, at disse forskelle måtte opstå fra små forskelle i den måde, de to molekyler interagerer på, betyder, at en nuklear kvanteeffekt er på spil.

Deres opdagelse - at klæbrigheden af ​​ladede polymeropløsninger delvist stammer fra nukleare kvanteeffekter i vand - har fundamentale implikationer. "Vand er overalt, " forklarer Roke. "Det udgør omkring 60% af den menneskelige krop. Disse indsigter i vands egenskaber og hvordan det interagerer med andre molekyler, herunder biomolekyler, vil vise sig nyttig til udvikling af nye teknologier – ikke kun inden for sundhed og biovidenskab, men også inden for materiale- og miljøvidenskab."