Simulations complexes : nouvelles découvertes sur le transport des protons dans l'eau
Une équipe internationale de chercheurs simule les mouvements d'un proton hydraté avec une précision quantique totale
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Des simulations complexes – les plus sophistiquées de ce type à ce jour – révèlent comment l’eau régit le mouvement des protons qui la traversent. Elles ont été menées par une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l’Institut de chimie physique de l’université de Heidelberg. Grâce à leur modélisation, les chercheurs de Cambridge (Royaume-Uni), de Bochum, de Dijon (France) et de Heidelberg ont pu suivre, avec une précision quantique totale, les mouvements d’un proton partagé entre six molécules d’eau. Au cœur de ces travaux se trouve la question de savoir comment un proton se déplace dans l’eau : non pas comme une particule isolée dérivant au gré du courant, mais en « sautillant » d’une molécule à l’autre.
Ce mouvement de « saut » est connu depuis le XIXe siècle. Lorsqu’un acide se dissout dans l’eau, le proton libéré – un ion hydrogène chargé positivement – ne reste pas lié à une seule molécule d’eau. Il est très mobile et passe constamment d’une molécule à l’autre. Ce mécanisme, dit de Grotthuss, qui est à la base du transport des protons dans l’eau, est notamment responsable de l’acidité de l’eau et joue un rôle crucial dans le stockage d’énergie dans les batteries ainsi que dans la transmission des signaux au sein des cellules vivantes. En raison de leur grande complexité, ces mouvements ultra-rapides des protons sont particulièrement difficiles à élucider, et malgré des recherches intensives, la dynamique fondamentale des protons dans l’eau reste sujette à débat.
Comme l’explique le professeur Oriol Vendrell, de l’Institut de chimie physique de l’université de Heidelberg, les protons hydratés ont jusqu’à présent été représentés à l’aide de deux structures idéalisées : les cations de Zundel et les cations d’Eigen. Chacune de ces structures suppose un nombre différent de molécules d’eau auxquelles le proton se lie. Dans une structure de Zundel, le proton est partagé à parts égales entre deux molécules ; dans une structure d’Eigen, il se lie à une seule molécule, formant un noyau d’hydronium qui est à son tour lié à trois autres molécules d’eau. « Cependant, des études récentes utilisant la spectroscopie infrarouge révèlent un état bien plus dynamique, situé entre ces deux extrêmes », explique le Dr David Mendive-Tapia, chercheur postdoctoral au sein de l’équipe du professeur Vendrell.
Dans le cadre de cette recherche, les scientifiques ont simulé un complexe de Zundel étendu comportant six molécules d’eau. Ils ont modifié en continu le système modèle en retirant des molécules, ce qui a entraîné sa transition d’une structure de Zundel symétrique vers une structure d’Eigen asymétrique. Grâce à ces simulations, ils ont réussi à suivre, avec une résolution quantique complète, les mouvements couplés du proton hydraté et des molécules d’eau qui l’entourent. Ceux-ci se traduisent par 51 vibrations imbriquées, et en les suivant toutes simultanément, l’équipe de recherche a pu calculer le spectre infrarouge complet et reproduire les mesures expérimentales sur toute la gamme.
Selon le professeur Dominik Marx de l’université de la Ruhr à Bochum, un élément décisif a été la description exceptionnellement précise des forces entre les atomes. Au lieu des approximations habituelles, les chercheurs ont modélisé ces forces à l’aide d’un réseau neuronal artificiel, entraîné à Bochum sur des données de chimie quantique de haut niveau. Ce modèle d’apprentissage automatique leur a permis de suivre le mouvement quantique du proton avec une précision sans précédent et sans aucun paramètre ajustable.
« Nos simulations montrent que la configuration des molécules d’eau environnantes est le facteur clé qui détermine la manière dont les protons se déplacent dans une solution aqueuse. L’empreinte infrarouge du proton hydraté, et en fin de compte son mouvement caractéristique de « saut », est régie avant tout par les asymétries locales de son environnement », souligne Oriol Vendrell. Selon les scientifiques, ces derniers résultats de recherche élargissent la compréhension actuelle de la manière dont l’eau influence le mouvement des protons à travers elle.
Outre les chercheurs de Heidelberg et de Bochum, des scientifiques de l’université de Cambridge (Royaume-Uni) et de l’université Bourgogne Europe à Dijon (France) ont joué un rôle clé dans ces travaux. La Fondation allemande pour la recherche et la Royal Society ont toutes deux financé ces recherches. Les résultats ont été publiés dans la revue « Nature Chemistry ».
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