Une structure insaisissable impliquant deux molécules d'eau, qui avait été prédite mais jamais observée, a été isolée par les chimistes de RIKEN. Cette découverte pourrait avoir des implications dans un large éventail de domaines allant de l'astrochimie à la corrosion des métaux. L'article est publié dans The Journal of Physical Chemistry Letters. .
Une particule énergétique ou un photon peut éliminer un électron d'une molécule d'eau, créant ainsi un ion positif (cation ; H2 O + ) et un électron. Cette ionisation de l'eau peut déclencher une cascade d'autres réactions avec des molécules proches.
L'ionisation de l'eau joue un rôle important dans les processus biologiques et la chimie des rayonnements et favorise la corrosion aux interfaces entre l'eau et les métaux. Comment se déroule l'ionisation de l'eau est donc une question cruciale pour les physico-chimistes.
Les calculs prédisent qu'après l'ionisation d'une molécule d'eau, deux isomères d'un ion chargé positivement d'un dimère d'eau (deux molécules d'eau vaguement reliées par une liaison faible) se formeront rapidement. Un isomère (H3 O + ·OH) a été observé et se forme lorsqu'un proton est transféré d'une molécule d'eau à une autre.
L'autre isomère a une structure demi-liaison (ou hémi-liée) (H2 O·OH2 ) + , mais il n'a jamais été isolé ni confirmé par des mesures spectroscopiques. Les calculs suggèrent qu'il a une énergie plus élevée que le dimère de transfert de protons.
Aujourd'hui, Susumu Kuma du laboratoire de physique atomique, moléculaire et optique RIKEN et ses collègues ont isolé les deux ions dimères d'eau en les piégeant dans de minuscules gouttelettes d'hélium froid. Ils ont également utilisé la spectroscopie infrarouge pour déterminer leurs structures.
Kuma et ses collègues ont utilisé un environnement ultra-froid pour fabriquer les isomères. Les molécules d'eau contenues dans les gouttelettes d'hélium se sont refroidies rapidement à mesure que les atomes d'hélium s'évaporaient de la surface des gouttelettes. Ce processus a formé l'isomère hémi-lié métastable en raison de sa stabilisation très rapide dans les gouttelettes froides.
Kuma et son équipe ont ensuite étudié la coexistence des deux isomères à l'aide de méthodes informatiques et spectroscopiques. Les signatures spectroscopiques des ions moléculaires étaient presque identiques à celles des ions nus, sans hélium qui les entourait. "Cette découverte indique que nous pouvons comparer directement les mesures sur les ions nus avec les résultats des calculs de chimie quantique", explique Kuma. "Cela facilite grandement l'analyse structurelle des dimères."
Cette découverte contribuera à lancer d’autres études dans ce domaine, prédit Kuma. "La découverte des cations hémi-liés de l'eau favorisera des études plus approfondies sur les événements primaires qui sont importants pour comprendre la chimie du rayonnement de l'eau", dit-il.
L'équipe de Kuma a l'intention de rechercher d'autres structures qui n'ont pas encore été observées. "Nous prévoyons d'augmenter la taille des cations du complexe aqueux dans les gouttelettes d'hélium", explique Kuma. "Nous nous attendons à trouver dans les spectres des structures chimiques inédites, mais importantes."
Plus d'informations : Arisa Iguchi et al, Isolement et caractérisation spectroscopique infrarouge du cation dimère d'eau hémilié dans des nanogouttelettes d'hélium superfluide, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI :10.1021/acs.jpclett.3c02150
Fourni par RIKEN
