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Une équipe de scientifiques a découvert de nouvelles propriétés moléculaires de l'eau, la découverte d'un phénomène qui était auparavant passé inaperçu.
Une équipe de scientifiques a découvert de nouvelles propriétés moléculaires de l'eau, la découverte d'un phénomène qui était auparavant passé inaperçu.
L'eau liquide est connue pour être un excellent transporteur de ses propres produits d'auto-ionisation; C'est, l'espèce chargée obtenue lorsqu'une molécule d'eau (H
L'eau est connue pour être constituée d'un réseau complexe de faibles, interactions directionnelles connues sous le nom de liaisons hydrogène. Depuis près d'un siècle, on pensait que les mécanismes par lesquels l'eau transporte le H + et OH − les ions étaient des images miroir les uns des autres - identiques à tous égards, à l'exception des directions des liaisons hydrogène impliquées dans le processus.
Modèles théoriques et simulations informatiques à la pointe de la technologie, cependant, prédit une asymétrie fondamentale dans ces mécanismes. Si c'est correct, cette asymétrie est quelque chose qui pourrait être exploité dans différentes applications en adaptant un système pour favoriser un ion par rapport à l'autre.
La preuve expérimentale de la prédiction théorique est restée insaisissable en raison de la difficulté d'observer directement les deux espèces ioniques. Différentes expériences n'ont fourni qu'un aperçu de l'asymétrie prédite.
Une équipe de scientifiques de l'Université de New York, dirigé par le professeur Alexej Jerschow et incluant Emilia Silletta, un boursier postdoctoral de la NYU, et Mark Tuckerman, professeur de chimie et de mathématiques à NYU, conçu une nouvelle expérience pour clouer cette asymétrie. L'approche expérimentale consistait à refroidir l'eau jusqu'à sa température dite de densité maximale, où l'asymétrie devrait être la plus manifeste, lui permettant ainsi d'être soigneusement détecté.
Il est de notoriété publique que la glace flotte sur l'eau et que les lacs gèlent par le haut. En effet, les molécules d'eau s'entassent dans une structure de densité inférieure à celle de l'eau liquide, une manifestation des propriétés inhabituelles de l'eau :la densité de l'eau liquide augmente juste au-dessus du point de congélation et atteint un maximum à quatre degrés Celsius (39 degrés Fahrenheit ), la température dite de densité maximale; cette différence de densité impose que le liquide soit toujours situé sous la glace.
En refroidissant l'eau à cette température, l'équipe a utilisé des méthodes de résonance magnétique nucléaire (le même type d'approche est médicalement utilisé en imagerie par résonance magnétique) pour montrer que la différence de durée de vie des deux ions atteint une valeur maximale (plus la durée de vie, plus le transport est lent). En accentuant la différence de durée de vie, l'asymétrie est devenue flagrante.
Comme indiqué précédemment, l'eau est constituée d'un atome d'oxygène et de deux atomes d'hydrogène, mais les atomes d'hydrogène sont relativement mobiles et peuvent sauter d'une molécule à l'autre, et c'est ce saut qui rend les deux espèces ioniques si mobiles dans l'eau.
En cherchant des explications pour les caractéristiques dépendantes de la température, les chercheurs se sont concentrés sur la vitesse à laquelle de tels sauts peuvent se produire.
Des recherches antérieures avaient indiqué que deux principaux arrangements géométriques de liaisons hydrogène (un associé à chaque ion) facilitent les sauts. Les chercheurs ont découvert que l'un des arrangements entraînait des sauts significativement plus lents pour OH − que pour H + à quatre degrés Celsius. Étant donné que c'est aussi la température de densité maximale, les chercheurs ont estimé que les deux phénomènes devaient être liés. En outre, leurs résultats ont montré que le comportement de saut des molécules changeait brusquement à cette température.
"L'étude des propriétés moléculaires de l'eau est d'un intérêt intense en raison de son rôle central dans la mise en œuvre des processus physiologiques et de sa nature omniprésente, " dit Jerschow, l'auteur correspondant de cette étude. "La nouvelle découverte est assez surprenante et peut permettre une meilleure compréhension des propriétés de l'eau ainsi que de son rôle en tant que fluide dans de nombreux phénomènes de la nature."
Tuckerman, qui a été l'un des premiers chercheurs à prédire l'asymétrie dans les mécanismes de transport et la différence dans les arrangements des liaisons hydrogène, dit, "Il est gratifiant de voir cette preuve expérimentale claire confirmer nos prédictions antérieures. Nous cherchons actuellement de nouvelles façons d'exploiter l'asymétrie entre H + et OH − transport pour concevoir de nouveaux matériaux pour des applications énergétiques propres, et sachant que nous commençons avec un modèle correct, c'est essentiel à notre progression continue."
Un large éventail d'autres recherches, allant de l'étude de la fonction enzymatique dans le corps à la compréhension de la façon dont les organismes vivants peuvent prospérer dans des conditions difficiles, y compris les températures inférieures au point de congélation et les environnements très acides, seront également touchés par les conclusions de l'équipe.
