Pesquisadores da EPFL descobriram que a viscosidade de soluções de polímeros eletricamente carregados dissolvidos em água é influenciada por um efeito quântico. Esse minúsculo efeito quântico influencia a maneira como as moléculas de água interagem umas com as outras. Ainda, pode levar a mudanças drásticas em observações em grande escala. Este efeito pode mudar a maneira como os cientistas entendem as propriedades e o comportamento das soluções de biomoléculas na água, e levar a uma melhor compreensão dos sistemas biológicos.

A água é a base de toda a vida na terra. Sua estrutura é simples - dois átomos de hidrogênio ligados a um átomo de oxigênio - mas seu comportamento é único entre os líquidos, e os cientistas ainda não entendem completamente as origens de suas propriedades distintas.

Quando os polímeros carregados são dissolvidos em água, a solução aquosa torna-se mais viscosa do que o esperado. Esta alta viscosidade é usada pela natureza no corpo humano. As propriedades lubrificantes e de absorção de choque do fluido sinovial - uma solução de água e biopolímeros carregados - é o que nos permite dobrar, esticar e comprimir nossas articulações durante toda a vida sem causar danos.

Em um estudo publicado em Avanços da Ciência , pesquisadores do Laboratório de BioFotônica Fundamental (LBP) da Escola de Engenharia da EPFL lançaram uma nova luz sobre a viscosidade de soluções aquosas. Eles mostraram que, ao contrário da visão tradicional de que as interações repulsivas entre os polímeros são as únicas responsáveis ​​pelo aumento da viscosidade, um efeito quântico nuclear entre as moléculas de água também tem um papel a desempenhar.

"Até aqui, nossa compreensão das soluções carregadas de polímero-água foi baseada em teorias que tratavam a própria água como pano de fundo, "diz Sylvie Roke, chefe do LBP. "Nosso estudo mostra que as interações água-água na verdade desempenham um papel importante. O mesmo também pode ser verdadeiro para outros processos físicos e químicos que influenciam a biologia."

Por que a água é única

A água deriva suas propriedades únicas de ligações de hidrogênio - ligações de curta duração entre um átomo de oxigênio de uma molécula de água e um átomo de hidrogênio de outra - que se quebram e se reformam centenas de milhares de bilhões de vezes por segundo. Essas ligações dão à água líquida uma estrutura tridimensional de curta duração.

Há muito se sabe que a água se torna mais viscosa quando polímeros carregados são dissolvidos nela. A viscosidade é influenciada pelo tamanho da molécula e adicionalmente pela carga. A razão pela qual os polímeros carregados aumentam a viscosidade mais do que os neutros foi atribuída a cargas semelhantes nos polímeros que se repelem. Neste estudo, Contudo, os pesquisadores da EPFL descobriram que as cargas elétricas também interagem com as moléculas de água e alteram as interações água-água, dificultando ainda mais o fluxo da solução.

Os pesquisadores mediram a viscosidade registrando quanto tempo levou para diferentes soluções fluirem por um tubo estreito. Eles também usaram tecnologia especial de laser, desenvolvido no laboratório, para sondar as interações água-água nas mesmas soluções em um nível molecular. Eles descobriram que os polímeros tornaram a rede de ligações de hidrogênio mais ordenada que, por sua vez, correlacionado com um aumento na viscosidade.

Os pesquisadores então repetiram os experimentos com água pesada (D2O), uma molécula que é quase idêntica à água leve (H2O), mas tem uma rede de ligações de hidrogênio ligeiramente diferente. Eles encontraram diferenças surpreendentemente grandes nas interações água-água e na viscosidade. Uma vez que os polímeros se repelem da mesma maneira em água leve e pesada, eles concluíram que essas diferenças devem surgir de pequenas diferenças na forma como as duas moléculas interagem, o que significa que um efeito quântico nuclear está em jogo.

A descoberta deles - que a viscosidade das soluções de polímero carregadas origina-se parcialmente dos efeitos quânticos nucleares na água - tem implicações fundamentais. "A água está em toda parte, "explica Roke." Constitui cerca de 60% do corpo humano. Esses insights sobre as propriedades da água e como ela interage com outras moléculas, incluindo biomoléculas, será útil para o desenvolvimento de novas tecnologias - não apenas na saúde e nas biociências, mas também em materiais e ciências ambientais. "