Selon une nouvelle étude, l'analyse structurelle courante de l'eau interfaciale est inadéquate
Molécules d'eau à l'interface air-eau caractérisées pour la première fois couche par couche
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Des chercheurs du département de chimie physique de l'Institut Fritz Haber et de la Freie Universität Berlin ont révélé l'arrangement des molécules d'eau à l'interface entre l'eau liquide et l'air. Leurs résultats permettent de mieux comprendre la chimie interfaciale, qui est largement déterminée par l'arrangement spécifique des molécules d'eau. L'étude montre qu'un paramètre en particulier - négligé jusqu'à présent - est d'une importance fondamentale : la torsion de l'eau.
Pourquoi étudier l'interface air-eau ?
L'eau est sans doute la molécule la plus importante sur Terre. Les interfaces de l'eau jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus physiologiques, à la surface des océans et dans l'atmosphère. Dans ces processus, c'est principalement l'incroyable minceur de la région d'eau située directement à la frontière qui régit leur comportement. La simple présence de l'interface perturbe la structure moléculaire de l'eau, générant des orientations préférentielles et un réseau de liaisons hydrogène modifié, ce qui donne lieu à des propriétés profondément différentes de l'eau dans cette région. Bien que ces structures uniques soient au cœur de nombreux phénomènes interfaciaux, il est extrêmement difficile de les caractériser.
Le défi : Obtenir des détails structurels de la région extrêmement fine de l'eau interfaciale
La région interfaciale de l'eau est incroyablement fine (~8 Angstroms), impliquant seulement quatre couches de molécules d'eau. En dessous de cette région interfaciale, l'eau adopte ses propriétés de masse. Pour élucider les détails de la structure moléculaire de l'eau dans la région interfaciale, les chercheurs doivent sonder uniquement ces quatre premières couches d'eau et obtenir des informations sur les orientations moléculaires dans chacune d'entre elles. Toutefois, il n'a pas été possible jusqu'à présent de réaliser de telles expériences, de sorte que la structure moléculaire exacte de l'eau interfaciale est restée inconnue malgré des décennies de recherches intensives.
Spectroscopie vibrationnelle résolue en profondeur combinée à des simulations
L'équipe de recherche de l'Institut Fritz Haber a relevé ce défi grâce à la spectroscopie vibrationnelle résolue en profondeur qu'elle a récemment mise au point et qui utilise une combinaison de lasers infrarouges et visibles pour irradier la surface de l'eau et exciter des vibrations non linéaires dans les molécules d'eau. Ce processus génère deux nouveaux faisceaux laser à différentes fréquences visibles, à savoir les signaux de fréquence de somme et de différence. En exploitant les petites différences de phase et d'amplitude de ces signaux, l'équipe est parvenue à extraire des informations précises sur la profondeur et à isoler la réponse vibratoire de la région interfaciale de l'eau. Les spectres obtenus ont ensuite été combinés à des simulations informatiques de haut niveau réalisées par l'équipe de l'université de Berlin pour obtenir une image claire des orientations des molécules d'eau dans la région interfaciale.
Grâce à cette approche combinée et à leur nouvelle technique expérimentale, les chercheurs ont révélé que les molécules d'eau des quatre premières couches possèdent une structure orientationnelle très bien définie, avec une alternance d'angles d'inclinaison et de torsion moléculaires d'une couche à l'autre. Alors que l'angle d'inclinaison est défini comme l'angle entre le dipôle de l'eau et la normale à la surface, l'angle de torsion moléculaire décrit une rotation autour de l'axe du dipôle. Sur la base de ces résultats, l'équipe de recherche a pu montrer que l'analyse structurelle courante de l'eau interfaciale en termes de molécules pointant "vers le haut ou vers le bas" est largement insuffisante en soulignant l'importance de la distribution de la torsion moléculaire dépendante de la profondeur à l'interface avec l'air, jusqu'alors ignorée. Cela conduit à une image structurelle révisée de l'eau interfaciale avec des implications importantes pour notre compréhension des processus aux interfaces aqueuses.
Coopération entre le FHI et l'Université de Berlin
Cette étude témoigne d'une collaboration très fructueuse entre différentes institutions scientifiques de Berlin (FHI et FU Berlin), réunissant des compétences théoriques et expérimentales pour s'attaquer à des questions de recherche de longue date. Les auteurs prévoient d'étendre leurs études à un plus grand nombre d'interfaces aqueuses, y compris celles des dispositifs électrochimiques tels que les batteries.
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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