C'est une tradition populaire de jeter des pièces dans les fontaines dans l'espoir d'exaucer les vœux. Mais que se passerait-il si vous pouviez plutôt "jeter" des électrons dans l'eau ? C'est-à-dire, que se passe-t-il peu de temps après l'injection d'un électron dans l'eau ?

Cette question vieille de plusieurs décennies a maintenant une réponse, grâce à un article publié dans Communication Nature le 16 janvier. L'étude est le résultat d'une collaboration entre des chercheurs de l'Université de Chicago, les laboratoires nationaux Argonne et Lawrence Livermore du département américain de l'Énergie (DOE), et l'Université de Californie-San Diego.

Jusqu'à maintenant, les scientifiques ont été confrontés à des défis techniques lorsqu'ils ont voulu mesurer expérimentalement l'affinité électronique de l'eau, a déclaré le professeur Giulia Galli, Liew Family Professeur à l'Institute for Molecular Engineering de l'Université de Chicago et scientifique principal à Argonne.

"La plupart des résultats cités dans la littérature en tant que nombres expérimentaux sont en fait des valeurs obtenues en combinant certaines quantités mesurées avec des estimations théoriques brutes, " elle a dit.

Mesures théoriques précises, d'autre part, ont été hors de portée pendant un certain temps en raison de la difficulté et du coût de calcul élevé de la simulation directe des interactions, a déclaré Francesco Paesani, professeur à l'Université de Californie-San Diego, un co-auteur de l'étude qui a passé des années à développer un potentiel précis pour la modélisation de l'eau liquide.

Le potentiel d'interaction entre les molécules d'eau développé par Paesani a été utilisé pour modéliser la structure de l'eau liquide et de la surface de l'eau. Une fois la structure obtenue, des méthodes théoriques et des logiciels très précis pour étudier les états excités de la matière, développé par l'équipe de Galli, ont été utilisés pour comprendre ce qui se passe lorsqu'un électron est injecté dans l'eau.

Fondamentalement, les chercheurs ont cherché à comprendre si l'électron réside dans le liquide et participe éventuellement à des réactions chimiques. La question centrale était, « Est-ce que le liquide se lie immédiatement à l'électron ? »

Les chercheurs ont découvert que l'électron se lie à l'eau; cependant, son énergie de liaison est beaucoup plus petite qu'on ne le pensait auparavant. Cela a incité les chercheurs à revoir un certain nombre de données et de modèles bien acceptés pour l'affinité électronique de l'eau.

Galli et ses collègues ont développé les méthodes pour les états excités utilisées dans cette étude au fil des ans, en collaboration avec T. A. Pham, de Lawrence Livermore, et Marco Govoni, d'Argonne, tous deux co-auteurs de cette étude.

"En utilisant le logiciel développé pour étudier les phénomènes d'états excités dans des systèmes réalistes (nommés Without Empty STates, ou WEST) et l'Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), nous avons enfin pu générer des données pour des échantillons à la fois suffisamment grands et sur des échelles de temps suffisamment longues pour étudier l'affinité électronique de l'eau liquide, " a déclaré Govoni.

"Nous avons trouvé de grandes différences entre l'affinité à la surface et dans le liquide en vrac. Nous avons également trouvé des valeurs différentes de celles acceptées dans la littérature, ce qui nous a incité à revisiter le diagramme énergétique complet d'un électron dans l'eau, " ajouta Pham.

Ce constat a des conséquences importantes, à la fois pour les scientifiques qui cherchent à comprendre fondamentalement les propriétés de l'eau et pour ceux qui veulent décrire des réactions de réduction/oxydation dans des solutions aqueuses, qui sont répandus en chimie et en biologie.

En particulier, les scientifiques utilisent souvent des informations sur les niveaux d'énergie de l'eau lorsqu'ils examinent des matériaux pour les cellules photo-électrochimiques. Une estimation fiable de l'affinité électronique de l'eau (que les chercheurs de l'étude ont fournie à la fois pour l'eau en vrac et sa surface) aidera les scientifiques à établir des protocoles de calcul plus robustes et plus fiables, et améliorer le criblage informatique des matériaux.