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水是我們這個世界上最常見的物質之一，從大江大河到生物細胞，水構築了整個生命系統的基礎。但是，一直以來，人們對水溶液的流動機制卻知之甚少。不同的溶劑會使水錶現出完全不同的特性，這其中究竟蘊藏著怎樣的秘密呢？
近期，EPFL（瑞士洛桑聯邦理工學院）的研究人員有了新的發現：溶解在水中的帶電聚合物溶液的粘度受到量子效應的影響。這種微小的量子效應影響著水分子相互作用的方式，進而影響了大規模水分子的流動方式。這種效應可能會改變科學家對水中生物分子溶液的性質和行為方式的理解，進而使人們更好地了解水在生物系統中的作用，比如血液和組織液的運行方式。
水是地球上所有生命的基礎。它的結構很簡單——兩個氫原子結合在一個氧原子上——但是它的行為在所有液體中是獨一無二的，科學家們至今仍然沒有完全理解它背後獨特的物理機制。
當帶電聚合物溶解在水中時，水溶液比預期得更黏稠。這種高粘度是人體的自然特性，比如關節滑液的潤滑和減震特性。關節滑液是一種由水和帶電的生物聚合物組成的溶液，它使我們能夠在一生中無數次彎曲、拉伸和壓縮關節而不造成損傷。
在《科學進展》上發表的一項研究中，來自EPFL工程學院基礎生物光電子實驗室(LBP)的研究人員對水溶液的粘度進行了新的研究。他們發現，量子效應影響了水溶液的流動特性和黏稠度。而傳統的觀念認為，聚合物之間的排斥性相互作用是粘度增加的唯一原因。新的研究將會讓人們對水的流動機制有更深的理解。
LBP負責人西爾維洛克表示：「迄今為止，我們對帶電聚合物水溶液的理解，是基於將水本身作為背景的理論。我們的研究表明，水-水的相互作用實際上扮演著重要的角色。其他影響生物的物理化學過程可能也是如此。」
為什麼水是獨一無二的
水的獨特性質來自於氫鍵，一個水分子的氧原子和另一個水分子的氧原子之間的短壽命鍵。水流中的氫鍵以每秒幾十萬次的速度斷裂並重新形成。這些化學鍵賦予了液態水一個短暫的三維結構。
人們早就知道，當帶電荷的聚合物溶解在水中時，水會變得更加黏稠。粘度受分子大小以及外加電荷的影響。為什麼帶電荷的聚合物比中性聚合物的粘度會增加這麼多呢？這是由於聚合物上的同種電荷相互排斥造成的。然而，在這項研究中，EPFL的研究人員發現，由於電荷也與水分子地相互作用，改變了水分子之間的相互作用強度，進而阻礙了水溶液的流動。
研究人員通過記錄不同溶液在狹窄管道中流動的時間來測量粘度。他們還利用實驗室開發的特殊雷射技術，在分子水平上探測相同溶液中的水-水相互作用。他們發現這些聚合物使得氫鍵網絡更加有序，而這正是溶液粘度增加的關鍵因素。
然後，研究人員用重水(D2O)重複實驗，這種分子幾乎與輕水(H2O)相同，但氫鍵網絡略有不同。他們發現，兩者之間水-水的相互作用和粘度都存在驚人的差異。由於聚合物在輕水和重水中以同樣的方式相互排斥，因此他們得出結論，這些差異必然源於兩個分子相互作用方式的微小差異，這意味著核量子效應在起作用。
普通的水(H2O)是由兩個只有質子的氫原子和一個氧原子所組成，但在重水分子內的兩個氫同位素，比一般氫原子又各多一個中子，因此造成重水分子的質量比一般水要重。在自然界中，重水的含量很少。
帶電聚合物溶液的黏性部分源於水中的核量子效應，這一發現具有相當重要的意義。我們的世界中到處都是水，水佔了人體的60%左右。隨著科學家更加清楚地理解水的性質，以及水是如何與其他分子(包括生物分子)相互作用的機理，這將會有效地促進人類新技術的發展——不僅在健康和生物科學領域，還會涉及到材料和環境科學領域。