L'expérience commune nous dit que l'huile et l'eau ne se mélangent pas. Pourtant, il s'avère qu'ils peuvent se mélanger lorsque l'huile est dispersée sous forme de petites gouttelettes dans l'eau. Ce comportement étrange a longtemps vexé les scientifiques car il n'y a aucune explication à cela. Une équipe de scientifiques de l'EPFL et de l'ICTP a étudié cette question à l'aide d'une nouvelle technologie optique et a découvert le mécanisme par lequel ces deux composés neutres et non miscibles peuvent en fait se mélanger et former des émulsions. La réponse réside dans la répartition de la charge électrique à l'interface.

Depuis plus de cent ans, les chimistes se posent cette question :comment de minuscules gouttelettes d'huile peuvent-elles exister dans l'eau sans aucune molécule stabilisatrice ? "Après tout, les molécules d'eau ont des interactions si fortes et si favorisées entre elles qu'elles n'aiment pas incorporer des molécules qui ne participent pas à ces interactions", explique le professeur Sylvie Roke, l'investigatrice principale de l'étude.

En effet, l'huile et l'eau se séparent l'une de l'autre lorsqu'elles sont simplement mélangées. Cependant, avec un apport suffisant d'énergie sous forme d'ultrasons, des gouttelettes d'huile de tailles inférieures à 1 micron se forment dans l'eau pure et continuent d'exister pendant plusieurs semaines ou mois. Curieusement lorsqu'elles sont placées dans un champ électrique, les gouttelettes se dirigent vers l'électrode positive. Ainsi, le mélange d'huile neutre et d'eau neutre donne des gouttelettes d'huile chargées négativement. Sans surprise, la source de cette charge inattendue a été fortement débattue.

L'équipe de scientifiques du Laboratoire de biophotonique fondamentale (LBP) de l'école d'ingénieurs de l'EPFL dirigée par le prof. Roke, en collaboration avec le Dr Ali Hassanali du Centre international de physique théorique (ICTP), Trieste a trouvé la source de la charge négative en étudiant à la fois la charge et la structure moléculaire des gouttelettes interfaciales d'huile et d'eau. Leurs résultats ont été publiés dans Science .

Mauvaises liaisons hydrogène

Il s'avère que la réponse à cette énigme de longue date se trouve à l'interface entre les gouttelettes d'huile et l'eau. Les molécules d'eau préfèrent donner et accepter des charges électriques de leurs voisins via une interaction connue sous le nom de liaison hydrogène. Cependant, lorsqu'ils sont proches des molécules d'huile à la surface des gouttelettes, ils ne peuvent plus trouver suffisamment de voisins d'eau avec lesquels établir une liaison hydrogène. Au lieu de cela, ces molécules d'eau cèdent leurs charges électriques déséquilibrées aux molécules d'huile à la surface des gouttelettes. Cette étude révèle que l'interaction eau-huile se produit via une liaison hydrogène dite impropre. Il s'agit d'une liaison hydrogène faible entre l'huile et l'eau, et bien que faible, nombre d'entre elles stabilisent la gouttelette.

Pour démêler ce mécanisme, l'équipe de Roke a utilisé une technique optique ultrarapide. "Deux impulsions laser ultracourtes se sont superposées sur un mélange de gouttelettes d'huile et d'eau. Lorsque nous faisons cela, de nouveaux photons sont générés et diffusés à partir de l'interface des gouttelettes. Ces photons ont la fréquence somme des deux faisceaux laser entrants et rendent compte des liaisons vibratoires à l'interface, c'est-à-dire le mouvement des atomes dans les molécules interfaciales. Cela nous renseigne sur la structure et les interactions entre le pétrole et l'eau », explique Roke. À l'échelle moléculaire, l'interface entre les gouttelettes d'huile et l'eau présente de fortes similitudes avec les interfaces impliquées dans le repliement des protéines ou la formation des membranes biologiques. Par conséquent, ces découvertes sur la structure de l'interface gouttelettes d'huile / eau satisfont non seulement notre curiosité sur les complexités complexes de l'eau, mais ont également des implications pour la compréhension des interactions tout au long de la biologie et de la chimie.