L'eau, ce sont simplement deux atomes d'hydrogène liés à un atome d'oxygène, et pourtant parmi les liquides son comportement est unique. Ainsi, lorsque des polymères chargés sont dissous dans l'eau, la solution aqueuse devient visqueuse, plus que prévu. Dans le corps humain par exemple, le liquide synovial qui est une solution d'eau et de biopolymères chargés, a des propriétés lubrifiantes et amortissantes. Celles-ci 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 à Lausanne, ont montré que, contrairement à l'idée 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 constatent 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.
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.

Implications fondamentales, car l'eau est partout !

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".

Source (texte et illustration) : ©EFPL Chaire Julia Jacobi de photomédecine - Laboratoire de biophotonique fondamentale