21.06.2022 - Universität Bayreuth

De nouvelles perspectives spectroscopiques sur les liaisons hydrogène

Des résultats surprenants

Les liaisons hydrogène présentent un intérêt fondamental pour la science des matériaux, la physique et la chimie. Une équipe internationale comprenant des scientifiques de l'Université de Bayreuth a maintenant obtenu des informations surprenantes sur la formation des liaisons hydrogène en utilisant une nouvelle méthode qui permet l'application de la spectroscopie RMN dans la recherche à haute pression. Les résultats de la recherche, publiés dans Nature Communications, pourraient constituer un point de départ pour la conception ciblée de matériaux qui contiennent des liaisons hydrogène symétriques et présentent donc des propriétés extraordinaires, potentiellement intéressantes sur le plan technologique.

Dans la nature, les liaisons hydrogène, une forme faible de liaison chimique, sont très courantes. Elles ont un effet stabilisateur sur les grands systèmes moléculaires, par exemple sur la structure de l'ADN, support du matériel génétique. Les liaisons hydrogène existent lorsqu'un atome d'hydrogène sert de médiateur à une interaction entre deux molécules ou deux sections d'une très grande molécule. Les charges électrostatiques de l'atome d'hydrogène et des deux atomes qui forment les "têtes de pont" opposées sont cruciales dans ce processus. Les structures dans lesquelles l'atome d'hydrogène se trouve à mi-chemin entre ces atomes présentent un grand intérêt scientifique. De tels ponts d'hydrogène symétriques sont souvent accompagnés de propriétés physiques extraordinaires telles que la supraconductivité ou la superionicité.

Jusqu'à présent, la recherche n'était pas encore parvenue à une compréhension approfondie des causes et des modes de fonctionnement des liaisons hydrogène et de leur symétrisation. Toutefois, une collaboration étroite entre des chercheurs de l'université de Bayreuth, de l'université de Linköping et du Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research de Pékin a permis de réaliser une avancée décisive : Pour la première fois, une méthode développée à l'Institut bavarois de recherche en géochimie et géophysique expérimentale (BGI) de l'université de Bayreuth, qui expose des échantillons de matériaux dans des cellules d'enclume en diamant à des pressions extrêmement élevées et les rend simultanément accessibles à l'investigation par spectroscopie RMN, a été appliquée à l'analyse des liaisons hydrogène. Ainsi, dans les laboratoires du BGI, les liaisons hydrogène ont pu être détectées avec une précision jusqu'alors inégalée dans des matériaux très différents : dans les phases VII et X de la glace, dans la phase D du silicate de magnésium et dans des composés ferreux et non ferreux de l'oxyhydrure d'aluminium. Dans tous les cas, les atomes d'oxygène formaient les têtes de pont. La nouvelle méthode a notamment permis d'identifier la position spatiale des atomes d'hydrogène et de préciser les conditions dans lesquelles la symétrisation des liaisons hydrogène se produit.

Les résultats ont surpris les chercheurs : bien que les constituants chimiques et les structures des matériaux étudiés soient très différents, le comportement des liaisons hydrogène entre atomes d'oxygène est très similaire. Les chercheurs ont découvert que sous compression, la symétrisation se produit à une distance oxygène-oxygène particulière. C'est précisément à cette distance que la pression fait que l'atome d'hydrogène se trouve à mi-chemin entre les atomes d'oxygène. En outre, les données de la RMN ont démontré que la symétrisation de la liaison hydrogène n'est pas un déclencheur de transitions de spin des électrons - contrairement à ce qui a parfois été supposé dans la recherche.

"Notre étude a montré que les liaisons hydrogène symétriques sont un phénomène physique à part entière. Elles se forment indépendamment des propriétés chimiques et mécaniques quantiques de leur environnement et sont également indépendantes des caractéristiques structurelles de leur environnement", résume le Dr Thomas Meier, auteur principal de la nouvelle étude. Au BGI de l'Université de Bayreuth, il a développé la nouvelle méthode en collaboration avec le Prof. Dr. h.c. Leonid Dubrovinsky et son équipe pour appliquer la spectroscopie RMN dans la recherche à haute pression et à haute température. Depuis 2022, le Dr Meier travaille au Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research de Pékin.

"Nous en savons désormais beaucoup plus sur les mécanismes physiques qui sous-tendent la symétrisation des liaisons hydrogène. Les applications de la spectroscopie RMN dans la recherche à haute pression permettent de mieux comprendre les régularités uniques de la nature des matériaux", a déclaré le professeur Leonid Dubrovinsky du BGI.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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