I ricercatori dell'EPFL hanno scoperto che la viscosità delle soluzioni di polimeri caricati elettricamente disciolti in acqua è influenzata da un effetto quantistico. Questo minuscolo effetto quantistico influenza il modo in cui le molecole d'acqua interagiscono tra loro. Ancora, può portare a cambiamenti drastici nelle osservazioni su larga scala. Questo effetto potrebbe cambiare il modo in cui gli scienziati comprendono le proprietà e il comportamento delle soluzioni di biomolecole nell'acqua, e portare a una migliore comprensione dei sistemi biologici.

L'acqua è la base di tutta la vita sulla terra. La sua struttura è semplice:due atomi di idrogeno legati a un atomo di ossigeno, eppure il suo comportamento è unico tra i liquidi, e gli scienziati ancora non comprendono appieno le origini delle sue proprietà distintive.

Quando i polimeri caricati vengono disciolti in acqua, la soluzione acquosa diventa più viscosa del previsto. Questa alta viscosità è utilizzata dalla natura nel corpo umano. Le proprietà lubrificanti e ammortizzanti del liquido sinoviale, una soluzione di acqua e biopolimeri carichi, sono ciò che ci permette di piegare, allungare e comprimere le nostre articolazioni per tutta la nostra vita senza danni.

In uno studio pubblicato su Progressi scientifici , i ricercatori del Laboratorio di Biofotonica Fondamentale (LBP) presso la Scuola di Ingegneria dell'EPFL hanno gettato nuova luce sulla viscosità delle soluzioni acquose. Hanno mostrato che, contrariamente alla visione tradizionale che le interazioni repulsive tra i polimeri sono le uniche responsabili dell'aumento della viscosità, anche un effetto quantistico nucleare tra le molecole d'acqua ha un ruolo da svolgere.

"Finora, la nostra comprensione delle soluzioni polimeriche cariche di acqua si basava su teorie che trattavano l'acqua stessa come sfondo, "dice Sylvie Roke, capo del LBP. "Il nostro studio mostra che le interazioni acqua-acqua svolgono effettivamente un ruolo importante. Lo stesso potrebbe essere vero anche per altri processi fisici e chimici che influenzano la biologia".

Perché l'acqua è unica

L'acqua deriva le sue proprietà uniche dai legami idrogeno, legami di breve durata tra un atomo di ossigeno di una molecola d'acqua e un atomo di idrogeno di un'altra, che si rompono e si riformano centinaia di migliaia di miliardi di volte al secondo. Questi legami conferiscono all'acqua liquida una struttura tridimensionale di breve durata.

È noto da tempo che l'acqua diventa più viscosa quando i polimeri caricati vengono disciolti in essa. La viscosità è influenzata dalla dimensione della molecola e inoltre dalla carica. Il motivo per cui i polimeri caricati aumentano la viscosità più di quelli neutri è stato attribuito a cariche simili sui polimeri che si respingono l'un l'altro. In questo studio, però, i ricercatori dell'EPFL hanno scoperto che le cariche elettriche interagiscono anche con le molecole d'acqua e alterano le interazioni acqua-acqua, ostacolando ulteriormente il flusso della soluzione.

I ricercatori hanno misurato la viscosità registrando quanto tempo impiegava diverse soluzioni a scorrere verso il basso attraverso un tubo stretto. Hanno anche usato una tecnologia laser speciale, sviluppato in laboratorio, sondare le interazioni acqua-acqua nelle stesse soluzioni a livello molecolare. Hanno scoperto che i polimeri rendevano più ordinata la rete di legami idrogeno che, a sua volta, correlata ad un aumento della viscosità.

I ricercatori hanno poi ripetuto gli esperimenti con acqua pesante (D2O), una molecola che è quasi identica all'acqua leggera (H2O) ma ha una rete di legami idrogeno leggermente diversa. Hanno trovato differenze sorprendentemente grandi sia nelle interazioni acqua-acqua che nella viscosità. Poiché i polimeri si respingono l'un l'altro allo stesso modo sia nell'acqua leggera che in quella pesante, hanno concluso che queste differenze devono derivare da piccole differenze nel modo in cui le due molecole interagiscono, il che significa che è in gioco un effetto quantistico nucleare.

La loro scoperta, che la viscosità delle soluzioni polimeriche cariche deriva in parte dagli effetti quantistici nucleari nell'acqua, ha implicazioni fondamentali. "L'acqua è ovunque, " spiega Roke. "Costituisce circa il 60% del corpo umano. Queste intuizioni sulle proprietà dell'acqua e su come interagisce con altre molecole, comprese le biomolecole, si rivelerà utile per lo sviluppo di nuove tecnologie, non solo nel campo della salute e delle bioscienze, ma anche nei materiali e nelle scienze ambientali".