Khi các polyme tích điện hòa tan trong nước, dung dịch nước trở nên nhớt hơn mong đợi. Độ nhớt cao này được thiên nhiên sử dụng trong cơ thể con người. Các đặc tính bôi trơn và hấp thụ sốc của dịch hoạt dịch -- dung dịch nước và các polyme sinh học tích điện -- là thứ cho phép chúng ta uốn cong, kéo giãn và nén các khớp trong suốt cuộc đời mà không bị tổn thương.

Trong một nghiên cứu được công bố trên Science Advances , các nhà nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm BioPhotonics cơ bản (LBP) tại Trường Kỹ thuật của EPFL đã làm sáng tỏ thêm về độ nhớt của dung dịch nước. Họ chỉ ra rằng, trái ngược với quan điểm truyền thống cho rằng tương tác đẩy giữa các polyme là nguyên nhân duy nhất gây ra sự gia tăng độ nhớt, hiệu ứng lượng tử hạt nhân giữa các phân tử nước cũng đóng vai trò nhất định.

"Cho đến nay, hiểu biết của chúng tôi về các dung dịch polymer-nước tích điện dựa trên các lý thuyết coi bản thân nước là nền tảng", Sylvie Roke, người đứng đầu LBP cho biết. "Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tương tác nước-nước thực sự đóng vai trò quan trọng. Điều tương tự cũng có thể đúng với các quá trình vật lý và hóa học khác ảnh hưởng đến sinh học".

Tại sao nước là duy nhất

Nước có được những tính chất độc đáo của mình từ các liên kết hydro -- các liên kết tồn tại trong thời gian ngắn giữa một nguyên tử oxy của một phân tử nước và một nguyên tử hydro của một phân tử khác -- bị phá vỡ và hình thành lại hàng trăm nghìn tỷ lần mỗi giây. Các liên kết này tạo cho nước lỏng một cấu trúc ba chiều tồn tại trong thời gian ngắn.

Từ lâu người ta đã biết rằng nước trở nên nhớt hơn khi các polyme tích điện được hòa tan trong nước. Độ nhớt bị ảnh hưởng bởi kích thước của phân tử và thêm vào đó là điện tích. Lý do tại sao các polyme tích điện làm tăng độ nhớt nhiều hơn các polyme trung tính được cho là do các điện tích giống nhau trên các polyme đẩy nhau. Tuy nhiên, trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu EPFL phát hiện ra rằng các điện tích cũng tương tác với các phân tử nước và làm thay đổi tương tác nước-nước, cản trở thêm dòng chảy của dung dịch.

Các nhà nghiên cứu đã đo độ nhớt bằng cách ghi lại thời gian các dung dịch khác nhau chảy xuống qua một ống hẹp. Họ cũng sử dụng công nghệ laser đặc biệt, được phát triển tại phòng thí nghiệm, để thăm dò tương tác nước-nước trong cùng một dung dịch ở cấp độ phân tử. Họ phát hiện ra rằng các polyme làm cho mạng lưới liên kết hydro có trật tự hơn, điều này tương quan với sự gia tăng độ nhớt.

Sau đó, các nhà nghiên cứu lặp lại các thí nghiệm với nước nặng (D ₂ O), một phân tử gần giống với nước nhẹ (H ₂ O) nhưng có mạng lưới liên kết hydro hơi khác. Họ phát hiện ra sự khác biệt lớn đáng ngạc nhiên trong cả tương tác nước-nước và độ nhớt. Vì các polyme đẩy nhau theo cùng một cách trong cả nước nhẹ và nước nặng, họ kết luận rằng những khác biệt này phải phát sinh từ những khác biệt nhỏ trong cách hai phân tử tương tác, nghĩa là hiệu ứng lượng tử hạt nhân đang diễn ra.

Phát hiện của họ -- rằng độ dính của các dung dịch polyme tích điện một phần bắt nguồn từ các hiệu ứng lượng tử hạt nhân trong nước -- có ý nghĩa cơ bản. "Nước ở khắp mọi nơi," Roke giải thích. "Nó chiếm khoảng 60% cơ thể con người. Những hiểu biết sâu sắc này về các đặc tính của nước và cách nó tương tác với các phân tử khác, bao gồm các phân tử sinh học, sẽ hữu ích cho việc phát triển các công nghệ mới -- không chỉ trong y tế và khoa học sinh học, mà còn trong khoa học vật liệu và môi trường."