L'eau à l'échelle nanométrique
Les surfaces dominent - pas l'espace
Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères ont fondamentalement remis en question les hypothèses actuelles sur la manière dont l'eau se comporte dans des espaces atomiques réduits. À l'aide de méthodes spectroscopiques et de simulations, ils ont étudié l'eau confinée dans quelques couches moléculaires seulement. L'équipe de Mischa Bonn a découvert que la structure de l'eau reste remarquablement "normale" - jusqu'à ce qu'elle soit limitée à moins d'un nanomètre, c'est-à-dire beaucoup plus fine que ce que l'on pensait jusqu'à présent.
Visualisation de l'eau piégée : l'illustration montre une couche de molécules d'eau (au centre) piégée entre le réseau atomique du fluorure de calcium (CaF₂, en haut) et une couche de graphène (en bas).
Le défi : n'étudier que quelques couches d'eau
Saisir la structure d'une couche d'eau qui n'a que quelques molécules d'épaisseur représente un énorme défi scientifique. L'équipe a développé un dispositif capillaire à l'échelle nanométrique en enfermant de l'eau entre une seule couche de graphène et un substrat de fluorure de calcium (CaF₂). Afin d'identifier la structure microscopique de l'eau piégée, ils ont utilisé la spectroscopie vibratoire de pointe spécifique à la surface - y compris l'orientation et les liaisons hydrogène des molécules - et ont ainsi rendu "visibles" les quelques couches d'eau insaisissables.
Les scientifiques* ont constaté que même en se limitant à seulement trois couches de molécules - un espace à peine plus large que les molécules elles-mêmes - l'eau au centre présentait encore des propriétés semblables à celles de l'eau "en vrac" ordinaire, en contact avec deux surfaces. Les interactions aux interfaces, déterminées par la couche de graphène et le substrat de CaF₂, ont influencé de manière déterminante la disposition et le comportement des molécules. Ce n'est qu'à la véritable dimension d'Angström, c'est-à-dire à une épaisseur inférieure à deux couches de molécules, que la limitation spatiale elle-même a commencé à réorganiser structurellement l'eau. Des simulations basées sur l'apprentissage automatique ont confirmé les hypothèses des mesures spectroscopiques, reproduit les observations et validé les conclusions.
"Cette recherche change notre vision de l'eau confinée", explique Yongkang Wang, premier auteur. "Nos résultats sont pertinents pour de nombreuses applications pratiques - comme l'eau dans les nano-canaux, les membranes ou entre les couches de matériaux - où ce sont les surfaces qui déterminent les propriétés de l'eau, et non la limitation spatiale en soi, sauf pour les couches extrêmement fines à l'échelle moléculaire".
Grande importance pour l'ingénierie, la biologie et la recherche sur les matériaux
Ces découvertes ont des implications majeures dans de nombreux domaines, de la nanofluidique et de la géologie à la biologie et à la recherche sur les matériaux. Les résultats mettent en évidence que l'eau nano-limitée - que ce soit sur la Terre ou dans des dispositifs techniques tels que les membranes, les circuits nanofluidiques ou les pores biologiques - est en grande partie influencée par les effets de surface, même lorsqu'elle est très limitée. Ce n'est que pour les couches d'eau de moins d'un nanomètre d'épaisseur que les règles physiques changent radicalement.
Une nouvelle référence pour la recherche sur l'eau
"Nos résultats établissent une nouvelle référence", a déclaré le dernier auteur Yuki Nagata. "Ceux qui travaillent avec ce qu'on appelle 'l'eau nano-limitée' doivent savoir : C'est la chimie de surface - et pas seulement la géométrie - qui détermine ses propriétés, à moins que la limitation n'atteigne l'extrême limite".
La capacité d'étudier et de comprendre de manière ciblée seulement quelques couches de molécules d'eau - cette région de plus grande incertitude scientifique et technologique - représente une avancée majeure dans la recherche sur l'eau. Les résultats de la recherche ne clarifient pas seulement des questions théoriques controversées, mais ouvrent également la voie au développement de futurs nano-dispositifs, matériaux et peut-être même de méthodes permettant de contrôler avec précision les propriétés de l'eau.
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 Allemand peut être trouvé ici.
Publication originale
Wang, Y.; Tang, F.; Yu, X.; Chiang, K.; Yu, C.; Ohto, T.; Chen, Y.; Nagata, Y.; Bonn, M.; "Interfaces govern the structure of angstrom-scale confined water solutions"; Nature Communications
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