Des simulations et des expériences révèlent des détails sans précédent sur le mouvement de l'eau dans l'eau salée.
Les chercheurs ont capturé une dynamique extrêmement rapide
Dans les solutions d'eau salée, les molécules d'eau se déplacent rapidement autour des ions de sel à une échelle de plus d'un trillion de fois par seconde, selon des expériences et des simulations menées par des scientifiques de l'université de New York et de la Sorbonne.
Simulation d'une solution d'eau salée. Les molécules d'eau sont représentées en rouge et blanc, les ions chlorure en vert, et en bleu, les ions sodium.
© Iurii Chubak
"Les solutions salines sont plus complexes qu'il n'y paraît", a déclaré Alexej Jerschow, professeur au département de chimie de l'université de New York et l'un des principaux auteurs de l'étude. "Cela s'est avéré évident lorsque nous avons à la fois mesuré et modélisé la dynamique très rapide des ions chlorure de sodium et des molécules d'eau environnantes."
Les résultats, publiés dans Nature Communications, permettront aux chercheurs de construire des modèles plus fiables pour prédire la dynamique des ions, ce qui pourrait être utilisé pour une variété de projets scientifiques, de l'amélioration des batteries rechargeables aux IRM.
Les ions sont omniprésents et essentiels à la vie. De nombreux ions, comme le sodium et le potassium, sont omniprésents dans le corps humain et déterminent la viabilité des cellules, la signalisation nerveuse et l'intégrité structurelle des tissus. La façon dont les ions interagissent avec les solvants joue également un rôle essentiel ; par exemple, les batteries rechargeables reposent sur le mouvement des ions dans les solutions électrolytiques.
Dans une solution aqueuse, les ions sont généralement entourés de quatre à six molécules d'eau, mais on ne sait pas très bien dans quelle mesure ces molécules se déplacent en tant qu'unité et quel est le degré de mouvement des molécules d'eau. Les modèles utilisés précédemment n'ont pas permis de rendre compte du mouvement concerté entre l'eau et les ions.
Pour étudier le mouvement des molécules de sel et d'eau, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), un outil polyvalent couramment utilisé pour déterminer la structure des molécules, et ont combiné les données expérimentales avec des simulations informatiques détaillées permettant de modéliser la dynamique autour des ions de sel à l'échelle atomique.
En testant l'eau salée sur une large gamme de concentrations et de températures, et en combinant les données expérimentales et les simulations informatiques, les chercheurs ont observé que les molécules d'eau s'agitent autour des ions sodium et chlorure à un rythme extrêmement rapide - plus d'un billion de fois par seconde. En outre, on supposait auparavant que les ions se déplaçaient en même temps que les molécules de solvant environnantes, mais l'expérience a montré que ce n'était pas le cas ; les molécules d'eau se déplacent beaucoup plus vite que le complexe ion-eau.
"Nous avons trouvé un excellent accord entre l'expérience et les simulations, ce qui nous permet de construire des modèles fiables pour la dynamique des ions", a déclaré Jerschow.
"Nous nous tournons maintenant vers des électrolytes plus complexes et vers ce qui se passe près des surfaces solides, et la combinaison des expériences et des simulations sera à nouveau essentielle pour progresser", a déclaré Benjamin Rotenberg de l'Université de la Sorbonne et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) en France, l'autre auteur principal de l'étude.
"Nous pensons que ce travail peut apporter des idées dans de nombreux domaines - de la médecine au stockage de l'énergie - qui reposent sur une bonne compréhension de la dynamique des ions en solution", a ajouté M. Jerschow.
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