Les surfaces d'énergie potentielle de l'eau cartographiées pour la première fois
Une meilleure compréhension de la chimie de l'eau
Les liquides sont plus difficiles à décrire que les gaz ou les solides cristallins. Pour la première fois, une équipe du HZB a cartographié les surfaces d'énergie potentielle des molécules d'eau dans l'eau liquide dans des conditions ambiantes au Centre de rayonnement synchrotron (SLS) de l'Institut Paul Scherrer, en Suisse. Cela contribue à une meilleure compréhension de la chimie de l'eau et des solutions aqueuses. Ces recherches pourront bientôt être poursuivies à la station METRIXS récemment construite à la source de rayons X BESSY II.
Image symbolique
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L'eau est certainement le liquide le plus connu au monde. Elle joue un rôle crucial dans tous les processus biologiques et chimiques. Les molécules d'eau elles-mêmes n'ont guère de secrets. A l'école déjà, nous apprenons que l'eau se compose d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène. Nous connaissons même l'angle obtus typique que forment les deux pattes O-H entre elles. En outre, nous savons quand l'eau bout ou gèle et comment ces transitions de phase sont liées à la pression. Mais entre les faits concernant les molécules individuelles et une compréhension plus approfondie des phénomènes macroscopiques, il existe une vaste zone d'incertitude : On ne connaît que des informations statistiques sur le comportement des molécules individuelles dans l'eau liquide normale : les molécules d'eau en phase liquide forment un réseau fluctuant de liaisons hydrogène, désordonné et dense, et leurs interactions ne sont pas du tout aussi bien comprises qu'à l'état gazeux.
Examen de l'eau liquide pure
Aujourd'hui, une équipe dirigée par Annette Pietzsch, physicienne au HZB, a examiné de plus près l'eau liquide pure à température ambiante et à pression normale. Grâce à l'analyse des rayons X au Centre suisse de rayonnement synchrotron de l'Institut Paul Scherrer et à la modélisation statistique, les scientifiques ont réussi à cartographier les surfaces d'énergie potentielle des différentes molécules d'eau à l'état fondamental, qui se présentent sous des formes très variées en fonction de leur environnement.
Oscillations et vibrations mesurées
"Ce qui est particulier ici, c'est la méthode : nous avons étudié les molécules d'eau sur la ligne de faisceau de l'ADRESS en utilisant la diffusion inélastique résonante des rayons X. En d'autres termes, nous avons poussé des molécules individuelles avec beaucoup de précaution, puis nous avons mesuré comment elles retombaient dans l'état fondamental", explique M. Pietzsch. Les excitations à basse énergie ont entraîné des oscillations d'étirement et d'autres vibrations qui, combinées à des calculs de modèles, ont permis d'obtenir une image détaillée des surfaces potentielles.
"Cela nous donne une méthode pour déterminer expérimentalement l'énergie d'une molécule en fonction de sa structure", explique Pietzsch. "Les résultats permettent d'éclairer la chimie de l'eau, par exemple pour mieux comprendre comment l'eau se comporte en tant que solvant."
Perspectives : METRIXS à BESSY II
Les prochaines expériences sont déjà prévues à la source de rayons X BESSY II à HZB. Annette Pietzsch et son équipe y ont installé la station de mesure METRIXS, conçue précisément pour l'étude d'échantillons liquides avec des expériences RIXS. "Après l'arrêt estival dû aux travaux de maintenance sur BESSY II, nous commencerons par les premiers tests de nos instruments. Ensuite, nous pourrons passer à autre chose".
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.
Publication originale
Annette Pietzsch, Johannes Niskanen, Vinicius Vaz da Cruz, Robby Büchner, Sebastian Eckert, Mattis Fondell, Raphael M. Jay, Xingye Lu, Daniel McNally, Thorsten Schmitt, Alexander Föhlisch; Cuts through the manifold of molecular H2O potential energy surfaces in liquid water at ambient conditions; PNAS (2022)
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