Une équipe internationale de scientifiques dirigée par le professeur Martina Havenith de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) a pu jeter un nouvel éclairage sur les propriétés de l'eau au niveau moléculaire. En particulier, ils ont pu décrire avec précision les interactions entre trois molécules d'eau, qui contribuent de manière significative au paysage énergétique de l'eau. La recherche pourrait ouvrir la voie à une meilleure compréhension et prévision du comportement de l'eau dans différentes conditions, même sous les extrêmes. Les résultats ont été publiés en ligne dans la revue Angewandte Chemie le 19 avril 2020.

Interactions par vibrations

Malgré l'eau à première vue ressemblant à un simple liquide, il a de nombreuses propriétés inhabituelles, l'un d'eux étant qu'il est moins dense lorsqu'il est congelé que lorsqu'il est liquide. De la manière la plus simple, les liquides sont décrits par l'interaction de leurs partenaires directs, qui sont pour la plupart suffisants pour une bonne description, mais pas dans le cas de l'eau :les interactions dans les dimères d'eau représentent 75 % de l'énergie qui maintient l'eau ensemble. Martina Havenith, directeur de la Chaire de chimie physique II de Bochum et porte-parole du pôle d'excellence Ruhr Explores Solvation (Resolv), et ses collègues de l'Université Emory à Atlanta, NOUS, a récemment publié une description précise des interactions liées au dimère d'eau. Pour accéder aux interactions coopératives, qui représentent 25 pour cent de l'interaction totale de l'eau, le trimère d'eau a dû être étudié.

Maintenant, l'équipe dirigée par Martina Havenith en collaboration avec des collègues de l'Université Emory et de l'Université du Mississipi, NOUS, a été en mesure de décrire pour la première fois de manière précise l'énergie d'interaction entre trois molécules d'eau. Ils ont testé les descriptions théoriques modernes par rapport au résultat de l'empreinte spectroscopique de ces interactions intermoléculaires.

Obstacles à la recherche expérimentale

Depuis plus de 40 ans, les scientifiques ont développé des modèles informatiques et des simulations pour décrire les énergies impliquées dans le trimère de l'eau. Les expériences ont été moins concluantes, malgré quelques idées pionnières dans les études en phase gazeuse, et ils s'appuient sur la spectroscopie. La technique fonctionne en irradiant un échantillon d'eau avec un rayonnement et en enregistrant la quantité de lumière absorbée. Le schéma obtenu est lié aux différents types d'excitations de mouvements intermoléculaires impliquant plus d'une molécule d'eau. Malheureusement, obtenir ces empreintes spectroscopiques pour les dimères et trimères d'eau, il faut irradier dans la région des fréquences térahertz. Et les sources laser qui fournissent une puissance élevée ont fait défaut pour cette région de fréquences.

Cette lacune technique n'a été comblée que récemment. Dans la publication actuelle, les scientifiques du RUB ont utilisé les lasers à électrons libres de l'Université Radboud de Nimègue aux Pays-Bas, ce qui permet des puissances élevées dans la région des fréquences térahertz. Le laser a été appliqué à travers de minuscules gouttelettes d'hélium superfluide, qui est refroidi à des températures extrêmement basses, à moins 272, 75 degrés Celsius. Ces gouttelettes peuvent collecter une à une les molécules d'eau, permettant d'isoler de petits agrégats de dimères et trimères. De cette façon, les scientifiques ont pu irradier exactement les molécules qu'ils voulaient et acquérir le premier spectre complet du trimère de l'eau dans la région des fréquences térahertz.

Les observations expérimentales des vibrations intermoléculaires ont été comparées et interprétées à l'aide de calculs quantiques de haut niveau. De cette façon, les scientifiques ont pu analyser le spectre et attribuer jusqu'à six vibrations intermoléculaires différentes.