Une équipe de la TU Wien a maintenant la preuve derrière les spéculations selon lesquelles les molécules d'eau peuvent former des structures complexes ressemblant à des ponts lorsqu'elles s'accumulent sur des surfaces minérales.

L'eau est un liquide extrêmement complexe. La façon dont les molécules d'eau séparées s'accumulent sur divers matériaux a un impact crucial sur un grand nombre de processus, y compris la corrosion et les intempéries, et est essentiel pour garantir que les catalyseurs fonctionnent de manière optimale. Une équipe basée à TU Wien a maintenant réussi à découvrir le mystère derrière la structure des molécules d'eau sur les surfaces d'oxyde de fer, et leurs travaux ont révélé que les molécules d'eau peuvent former des structures complexes rappelant des ponts, qui jouent un rôle important dans les réactions chimiques en surface.

Les propriétés particulières de l'eau

"Ce qui rend les molécules d'eau uniques, c'est qu'elles peuvent former des ponts hydrogène, " explique le professeur Gareth Parkinson de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien. " La répartition des charges électriques n'est pas uniforme. L'atome d'oxygène est légèrement chargé négativement, tandis que les atomes d'hydrogène sont légèrement chargés positivement. des liaisons peuvent se former entre des molécules d'eau – les fameuses liaisons pont hydrogène – ou encore entre une molécule d'eau et d'autres types de molécules.

Les répercussions de cette situation sont vastes. Par exemple, les liaisons pont hydrogène sont la raison pour laquelle l'eau doit atteindre la température élevée de 100°C avant de bouillir. Ils sont également un facteur clé dans la structure des protéines.

Ces liens entrent même en jeu maintes et maintes fois pour des affirmations totalement non scientifiques, comme les gens prétendent qu'ils permettent de stocker de mystérieuses «informations» dans l'eau. C'est physiquement impossible car les ponts hydrogène ne sont pas du tout très forts et se décomposent à nouveau en une fraction de seconde dans l'eau liquide. Néanmoins, vous pouvez voir des résultats très différents lorsque les molécules d'eau s'accumulent sur les surfaces, où incroyablement complexe, des structures stables se forment à basse température.

Les domaines du possible

« Il y avait déjà eu des indices indirects de ce type de formation de structure, " dit Ulrike Diebold (TU Wien). " Mais pour vraiment rendre la structure de l'eau visible sur les surfaces d'oxyde de fer, nous avons dû optimiser davantage les meilleures techniques de mesure de pointe et vraiment repousser les limites de ce qui est possible."

Commencer avec, un jet de molécules d'eau est projeté sur la surface sous vide à basse température. La surface est ensuite chauffée doucement jusqu'à une température d'environ -30°C, provoquant la rupture progressive des ouvrages hydrauliques. Les molécules d'eau se détachent une à une de la surface et sont captées par un détecteur. "Nous pouvons mesurer exactement combien de molécules d'eau quittent la surface à une température particulière. Nous pouvons ensuite utiliser cette information pour calculer l'énergie de liaison, ce qui nous permet à son tour d'identifier le type de structures moléculaires auxquelles nous avons affaire, " a expliqué Gareth Parkinson.

À la fois, un anti-vibration spécial, microscope haute performance a été utilisé pour produire des images à haute résolution de la surface, pour que les structures d'eau puissent être vues. De plus, des simulations informatiques sophistiquées ont été développées pour expliquer le positionnement géométrique des molécules d'eau au niveau quantique. "Enfin nous avons trois outils à notre disposition qui nous permettent d'étudier les structures d'eau, et c'est ce qu'il faut si vous voulez obtenir des résultats fiables, " dit Gareth Parkinson. " Les trois analyses correspondent parfaitement, nous laissant conclure avec une grande confiance que nous comprenons maintenant la formation de structures d'eau sur les surfaces d'oxyde de fer."

L'évidence montre que plusieurs structures se forment :il est rare qu'une seule molécule d'eau se trouve à la surface seule, les molécules d'eau ayant plutôt tendance à se regrouper par paires ou par groupes de trois. Ensuite, vous avez des structures plus complexes constituées de six ou huit molécules, qui s'étendent sur la surface de l'oxyde de fer comme des ponts incurvés de manière elliptique.

"Notre objectif principal était de développer les méthodes analytiques au point que nous puissions obtenir des preuves irréfutables de ces structures moléculaires. Et c'est ce que nous avons fait, " explique Ulrike Diebold. " La méthode que nous avons utilisée ici pour l'oxyde de fer peut également être appliquée à d'autres matériaux. "