Los investigadores de la EPFL han descubierto que la viscosidad de las soluciones de polímeros cargados eléctricamente disueltos en agua está influenciada por un efecto cuántico. Este pequeño efecto cuántico influye en la forma en que las moléculas de agua interactúan entre sí. Todavía, puede dar lugar a cambios drásticos en las observaciones a gran escala. Este efecto podría cambiar la forma en que los científicos comprenden las propiedades y el comportamiento de las soluciones de biomoléculas en el agua. y conducir a una mejor comprensión de los sistemas biológicos.

El agua es la base de toda la vida en la tierra. Su estructura es simple, dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno, pero su comportamiento es único entre los líquidos. y los científicos aún no comprenden completamente los orígenes de sus propiedades distintivas.

Cuando los polímeros cargados se disuelven en agua, la solución acuosa se vuelve más viscosa de lo esperado. Esta alta viscosidad la utiliza la naturaleza en el cuerpo humano. Las propiedades lubricantes y de absorción de impactos del líquido sinovial, una solución de agua y biopolímeros cargados, es lo que nos permite doblarnos, Estirar y comprimir nuestras articulaciones durante toda nuestra vida sin dañarlas.

En un estudio publicado en Avances de la ciencia , Los investigadores del Laboratorio de Biofotónica Fundamental (LBP) de la Escuela de Ingeniería de EPFL han arrojado nueva luz sobre la viscosidad de las soluciones acuosas. Ellos demostraron que contrariamente a la visión tradicional de que las interacciones repulsivas entre polímeros son las únicas responsables del aumento de la viscosidad, un efecto cuántico nuclear entre moléculas de agua también tiene un papel que desempeñar.

"Hasta aquí, Nuestra comprensión de las soluciones cargadas de polímero y agua se basó en teorías que trataban el agua en sí como fondo, "dice Sylvie Roke, jefe de la LBP. "Nuestro estudio muestra que las interacciones agua-agua realmente juegan un papel importante. Lo mismo podría ser cierto para otros procesos físicos y químicos que influyen en la biología".

Por qué el agua es única

El agua obtiene sus propiedades únicas de los enlaces de hidrógeno, enlaces de corta duración entre un átomo de oxígeno de una molécula de agua y un átomo de hidrógeno de otra, que se rompen y se vuelven a formar cientos de miles de miles de millones de veces por segundo. Estos enlaces le dan al agua líquida una estructura tridimensional de corta duración.

Se sabe desde hace mucho tiempo que el agua se vuelve más viscosa cuando se disuelven polímeros cargados en ella. La viscosidad está influenciada por el tamaño de la molécula y, además, por la carga. La razón por la que los polímeros cargados aumentan la viscosidad más que los neutros se ha atribuido a que las cargas similares en los polímeros se repelen entre sí. En este estudio, sin embargo, los investigadores de la EPFL encontraron que las cargas eléctricas también interactúan con las moléculas de agua y alteran las interacciones agua-agua, obstaculizando aún más el flujo de la solución.

Los investigadores midieron la viscosidad registrando cuánto tiempo tardaron las diferentes soluciones en fluir hacia abajo a través de un tubo estrecho. También utilizaron tecnología láser especial, desarrollado en el laboratorio, para sondear las interacciones agua-agua en las mismas soluciones a nivel molecular. Descubrieron que los polímeros hacían que la red de enlaces de hidrógeno estuviera más ordenada, lo que, Sucesivamente, correlacionado con un aumento de la viscosidad.

Luego, los investigadores repitieron los experimentos con agua pesada (D2O), una molécula que es casi idéntica al agua ligera (H2O) pero que tiene una red de enlaces de hidrógeno ligeramente diferente. Encontraron diferencias sorprendentemente grandes tanto en las interacciones agua-agua como en la viscosidad. Dado que los polímeros se repelen entre sí de la misma manera tanto en agua ligera como en agua pesada, Llegaron a la conclusión de que estas diferencias deben surgir de pequeñas diferencias en la forma en que interactúan las dos moléculas, lo que significa que está en juego un efecto cuántico nuclear.

Su descubrimiento, que la pegajosidad de las soluciones poliméricas cargadas se debe en parte a los efectos cuánticos nucleares en el agua, tiene implicaciones fundamentales. "El agua está en todas partes, "explica Roke." Constituye alrededor del 60% del cuerpo humano. Estos conocimientos sobre las propiedades del agua y cómo interactúa con otras moléculas, incluyendo biomoléculas, resultará útil para desarrollar nuevas tecnologías, no solo en salud y biociencias, sino también en ciencias de los materiales y del medio ambiente ".