La structure de l'eau : l'entropie détermine si les ions adhèrent ou non
La microscopie à force atomique et les simulations de dynamique moléculaire fournissent une base pour des prévisions plus précises dans la recherche sur les batteries et les membranes
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Les molécules d'eau ne tourbillonnent pas simplement de manière désordonnée, elles peuvent former certaines structures préférentielles. Ce fait scientifique est souvent présenté de manière totalement non scientifique, par exemple lorsqu'il est question d'une prétendue "mémoire de l'eau" ou de "clusters d'eau" comme explication possible de l'homéopathie, par exemple.
Tout cela a été réfuté, mais même si l'eau n'est pas un réservoir magique d'informations, sa capacité à former des structures à court terme peut avoir des conséquences importantes. C'est ce que montre désormais une étude de l'Université technique de Vienne, en collaboration avec l'Université de Vienne et l'Université d'Oslo, dans le cadre du cluster d'excellence "MECS" financé par le FWF : on a étudié la facilité avec laquelle des particules chargées peuvent être retenues sur une surface - une question importante dans de nombreux domaines, par exemple dans la recherche sur les batteries, les piles à combustible ou même les membranes biologiques. De nouveaux résultats montrent que c'est le cas : On ne peut comprendre cela que si l'on prend en compte les structures que l'eau forme à l'échelle nanoseconde.
Un ion arrive rarement seul
"Lorsque des ions chargés positivement dans une solution aqueuse se fixent sur une surface chargée négativement, cela semble en fait très simple au départ sur le plan physique", explique Markus Valtiner de l'Institut de physique appliquée de l'Université technique de Vienne. "Les charges électriques opposées s'attirent mutuellement, la particule se déplace donc vers la surface. Mais en réalité, les choses sont un peu plus compliquées".
En effet, les particules chargées ne se déplacent pas seules dans l'eau. Elles sont entourées de molécules d'eau, et celles-ci peuvent s'ordonner de différentes manières. L'importance de cet ordre dépend de la particule : "Les ions lithium, par exemple, sont minuscules et peuvent fortement ordonner l'eau autour d'eux. Les ions de césium, en revanche, sont grands et l'effet est beaucoup plus faible", explique Markus Valtiner.
De l'eau ordonnée - mais seulement pendant des nanosecondes
Il ne faut toutefois pas se représenter cet ordre comme des atomes ordonnés dans un cristal. "Cet ordre est de nature statistique", explique Markus Valtiner. "Les molécules d'eau vibrent sans cesse, elles se déplacent très rapidement, elles se redistribuent en permanence, forment des liaisons faibles et les rompent à nouveau".
Cela signifie que les molécules d'eau ne sont pas des "réservoirs d'informations", comme on le présente parfois à tort, mais qu'elles exécutent une sorte de "danse" autour de l'ion, et que cette danse obéit à certaines règles. La danse de l'eau autour d'un ion lithium ou d'un ion calcium est - statistiquement parlant - en un certain sens plus ordonnée que la danse de l'eau autour de l'ion césium.
Lorsque les ions se déplacent vers la surface, ils entraînent avec eux cette danse de l'enveloppe d'eau. Si l'ion se dépose ensuite, l'eau tout autour est contrainte de se structurer différemment de ce qu'elle ferait autrement.
"Les ions qui ont une plus grande influence sur les molécules d'eau environnantes créent plus d'ordre dans l'eau - thermodynamiquement parlant, cela signifie qu'ils créent un état de plus faible entropie", explique Markus Valtiner. "Et plus l'entropie est faible, moins il est probable qu'un tel état se produise de lui-même. De tels ions se déposent donc moins facilement directement à la surface".
Pas de "mémoire de l'eau" ésotérique
L'équipe de recherche a combiné une microscopie à force atomique à haute résolution, des simulations de dynamique moléculaire et des mesures spectroscopiques pour mesurer ces effets de surface. Il en est résulté un modèle thermodynamique qui permet désormais de décrire quantitativement l'adsorption des particules : Pour la première fois, les différents effets sont considérés ensemble - l'attraction électrostatique d'une part, mais aussi l'entropie, la probabilité d'ordre et l'interaction avec les molécules d'eau environnantes.
Ainsi, il est désormais possible de prédire de manière plus ciblée quels ions adhèrent à une surface et comment ils s'y comportent, par exemple pour les batteries, les électrodes, les catalyseurs ou encore les membranes biologiques. Il ne faut pas seulement tenir compte des charges électriques, mais aussi de l'ordre statistique de l'eau.
"Il ne s'agit pas d'une mémoire magique de l'eau, cela n'a rien à voir avec des conceptions ésotériques de l'information sur l'eau", souligne Markus Valtiner. "Il s'agit simplement d'un comportement dynamique physiquement très intéressant entre différents ions et les molécules d'eau environnantes - et nous avons trouvé un modèle quantitatif qui permet de décrire précisément cette interaction".
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.
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