L’écoulement des liquides influencé par un effet quantique dans l’eau

Des chercheurs de l’EPFL ont découvert que la viscosité de solutions contenant des polymères chargés électriquement et dissous dans l’eau était influencée par un effet quantique. Cet effet quantique influence la façon dont les molécules d’eau interagissent les unes avec les autres. Bien que minuscule, il peut néanmoins conduire à des changements drastiques dans les observations à grande échelle. Cet effet pourrait changer la façon dont les scientifiques comprennent les propriétés et le comportement des solutions de biomolécules dans l’eau, et mener à une meilleure compréhension des systèmes biologiques. L’eau est la base de toute vie sur terre. Sa structure est simple – deux atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène – mais son comportement est unique parmi les liquides, et les scientifiques ne comprennent pas encore parfaitement l’origine de ses propriétés particulières. Ainsi, lorsque des polymères chargés sont dissous dans l’eau, la solution aqueuse devient plus visqueuse que prévu. Cette viscosité élevée est utilisée par la nature dans le corps humain. Les propriétés lubrifiantes et amortissantes du liquide synovial – une solution d’eau et de biopolymères chargés – nous permettent de plier, d’étirer et de comprimer nos articulations tout au long de notre vie sans dommages. Dans une étude publiée dans Science Advances, des chercheurs du Laboratoire de Biophotonique fondamentale (LBP) de la Faculté des sciences et techniques de l’Ingénieur de l’EPFL, ont apporté un éclairage nouveau sur la viscosité des solutions aqueuses. Ils ont montré que, contrairement à l’idée traditionnelle selon laquelle les interactions répulsives entre polymères sont seules responsables de l’augmentation de la viscosité, un effet quantique nucléaire entre molécules d’eau a également un rôle à jouer. « Jusqu’à présent, notre compréhension des solutions polymère chargé-eau était basée sur des théories qui considéraient l’eau elle-même comme un arrière-plan « , explique Sylvie Roke, responsable du LBP. « Notre étude montre que les interactions eau-eau jouent un rôle important. Il pourrait en être de même pour d’autres processus physiques et chimiques qui influencent la biologie. »

Pourquoi l’eau est unique

L’eau tire ses propriétés uniques des liaisons hydrogène – liaisons de courte durée entre l’atome d’oxygène d’une molécule d’eau et l’un des atomes d’hydrogène d’une autre – qui se brisent et se reforment des centaines à des milliers de milliards de fois par seconde. Ces liaisons donnent à l’eau liquide une structure tridimensionnelle de courte durée. On sait depuis longtemps que l’eau devient plus visqueuse lorsque des polymères chargés y sont dissous. La viscosité est influencée par la taille du polymère et par sa charge. La raison pour laquelle les polymères chargés augmentent la viscosité plus que les polymères neutres a été attribuée au fait que les charges similaires sur les polymères se repoussaient mutuellement. Dans cette étude, les chercheurs de l’EPFL ont toutefois constaté que les charges électriques interagissent également avec les molécules d’eau et modifient les interactions eau-eau, ce qui entrave encore davantage l’écoulement de la solution. Les chercheurs ont mesuré la viscosité en enregistrant le temps qu’il a fallu à différentes solutions pour s’écouler dans un tube étroit. Ils ont également utilisé une technologie laser spéciale, développée au laboratoire, pour sonder les interactions eau-eau dans les mêmes solutions au niveau moléculaire. Ils ont découvert que les polymères rendaient le réseau de liaisons hydrogène plus ordonné, ce qui, à son tour, était corrélé à une augmentation de la viscosité. Les chercheurs ont ensuite répété les expériences avec de l’eau lourde (D2O), dont les molécules sont presque identiques à celles de l’eau légère (H2O), mais dont le réseau de liaison hydrogène est légèrement différent. Ils ont constaté des différences étonnamment importantes dans les interactions eau-eau et dans la viscosité. Comme les polymères se repoussent de la même manière dans l’eau légère et dans l’eau lourde, ils ont conclu que ces différences devaient provenir de petites différences dans la façon dont les deux molécules interagissent, ce qui signifie qu’un effet quantique nucléaire est en jeu. La découverte des chercheurs, qui indique que l’adhésivité des solutions de polymères chargés provient en partie des effets quantiques nucléaires dans l’eau, a des implications fondamentales. « L’eau est partout, explique Roke. « Elle représente environ 60% du corps humain. Ces connaissances sur les propriétés de l’eau et son interaction avec d’autres molécules, y compris les biomolécules, s’avéreront utiles pour le développement de nouvelles technologies – non seulement dans le domaine de la santé et en biosciences, mais aussi pour les sciences des matériaux et de l’environnement« . Auteur: STI /Laure-Anne Pessina

Références

J. Dedic; H.I. Okur; S. Roke, Polyelectrolytes induce water-water correlations that result in dramatic viscosity changes and nuclear quantum effects, Science Advances, 2019