Une nouvelle approche pour étudier la viscosité de l'eau a révélé de nouvelles informations sur le comportement des molécules d'eau et pourrait ouvrir des voies pour l'électronique à base de liquide.

Une équipe de chercheurs dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a utilisé une technique de diffusion des rayons X inélastique à haute résolution pour mesurer la forte liaison impliquant un atome d'hydrogène pris en sandwich entre deux atomes d'oxygène. Cette liaison hydrogène est un phénomène de mécanique quantique responsable de diverses propriétés de l'eau, y compris la viscosité, qui détermine la résistance d'un liquide à s'écouler ou à changer de forme.

Alors que l'eau est la substance la plus abondante sur Terre, son comportement au niveau moléculaire n'est pas bien compris.

"Malgré tout ce que nous savons sur l'eau, c'est un mystérieux, substance atypique que nous devons mieux comprendre pour libérer son immense potentiel, notamment dans les technologies de l'information et de l'énergie, " dit Takeshi Egami, Scientifique/professeur distingué de l'Université du Tennessee-ORNL travaillant par le biais du Shull Wollan Center, un institut conjoint des sciences neutroniques, un partenariat ORNL-UT.

L'étude de l'équipe, Publié dans Avancées scientifiques , démontré qu'il est possible de sonder l'espace réel, dynamique en temps réel de l'eau et d'autres liquides. Des études antérieures ont fourni des instantanés de la structure atomique de l'eau, mais on sait peu de choses sur la façon dont les molécules d'eau se déplacent.

"La liaison hydrogène a un effet important sur la corrélation dynamique entre les molécules lorsqu'elles se déplacent dans l'espace et le temps, mais jusqu'à présent les données, principalement par spectroscopie laser optique, ont donné des résultats larges ou « flous » avec une spécificité peu claire, " dit Egami.

Pour une image plus claire, l'équipe conjointe ORNL-UT a utilisé une technique avancée des rayons X connue sous le nom de diffusion inélastique des rayons X pour déterminer le mouvement moléculaire. Ils ont découvert que la dynamique de la liaison oxygène-oxygène entre les molécules d'eau est, étonnamment, pas aléatoire mais très coordonné. Lorsque la liaison entre les molécules d'eau est rompue, les liaisons hydrogène fortes fonctionnent pour maintenir un environnement stable sur une période de temps spécifique.

"Nous avons découvert que le temps qu'il faut à une molécule pour changer sa molécule " voisine " détermine la viscosité de l'eau, " a déclaré Egami. Cette nouvelle découverte stimulerait d'autres études sur le contrôle de la viscosité d'autres liquides.

Egami considère les travaux en cours comme un tremplin vers des recherches plus avancées qui tireront parti des techniques de diffusion des neutrons à la source de neutrons de spallation de l'ORNL, une installation utilisateur du DOE Office of Science, pour déterminer davantage l'origine de la viscosité et d'autres propriétés dynamiques des liquides.

L'approche des chercheurs pourrait également être utilisée pour caractériser le comportement moléculaire et la viscosité des molécules ioniques, ou salé, liquides et autres substances liquides, ce qui aiderait au développement de nouveaux types de dispositifs semi-conducteurs avec des couches isolantes à électrolyte liquide, de meilleures batteries et des lubrifiants améliorés.