L'eau et la glace ne sont peut-être pas parmi les premières choses qui vous viennent à l'esprit lorsque vous pensez aux nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT), mais une équipe de recherche basée au Japon espérant mieux comprendre le comportement de phase de l'eau confinée dans les pores cylindriques des nanotubes de carbone s'est concentrée sur les propriétés de l'eau confinée et a fait des découvertes surprenantes.

L'équipe, de l'Université métropolitaine de Tokyo, Université de Nagoya, Agence japonaise des sciences et de la technologie, et Institut national des sciences et technologies industrielles avancées, décrit leurs découvertes dans l'American Institute of Physics' Journal de physique chimique .

Bien que les nanotubes de carbone soient constitués de feuilles de graphène hydrophobes (résistant à l'eau), des études expérimentales sur les SWCNT montrent que l'eau peut en effet être confinée dans des nanotubes de carbone ouverts.

Cette découverte nous permet de mieux comprendre les propriétés de l'eau nanoconfinée dans les pores des SWCNTs, qui est une clé pour l'avenir des nanosciences. On s'attend à ce que l'eau nanoconfinée dans les nanotubes de carbone puisse ouvrir la porte au développement d'une variété de nouvelles nano-choses astucieuses - des systèmes de nanofiltration, nanovalves moléculaires, pompes à eau moléculaires, cellules de puissance nanométriques, et même des dispositifs ferroélectriques à l'échelle nanométrique.

"Lorsque les matériaux sont confinés à l'échelle atomique, ils présentent des propriétés inhabituelles non observées autrement, en raison de ce que l'on appelle « l'effet nanoconfinement ». En géologie, par exemple, l'eau nanoconfinée est la force motrice des soulèvements dus au gel dans le sol, et aussi pour le gonflement des minéraux argileux, " explique Yutaka Maniwa, professeur au Département de physique de l'Université métropolitaine de Tokyo. "Nous avons étudié expérimentalement ce type d'effet pour l'eau à l'aide de SWCNT."

L'eau contenue dans les SWCNT dans la plage de 1,68 à 2,40 nanomètres subit une transition de type humide-sec lorsque la température diminue. Et l'équipe a découvert que lorsque les SWCNT sont extrêmement étroits, l'eau à l'intérieur forme des glaces tubulaires qui sont assez différentes de toutes les glaces en vrac connues à ce jour. Étonnamment, leur point de fusion augmente à mesure que le diamètre SWCNT diminue, contrairement à celui de l'eau en vrac à l'intérieur d'un capillaire de grand diamètre. En réalité, la glace des tubules s'est produite même à température ambiante à l'intérieur des SWCNT.

"Nous avons étendu nos études aux SWCNT de plus grand diamètre jusqu'à 2,40 nanomètres et avons proposé avec succès un comportement global de phase de l'eau, " dit Maniwa. " Ce diagramme de phase (voir la figure) couvre un croisement des régions microscopiques aux régions macroscopiques. Dans la région macroscopique, une nouvelle transition humide-sèche a été récemment explorée à basse température."

De tels résultats contribuent à une meilleure compréhension de la science fondamentale, car l'eau nanoconfinée existe et joue un rôle vital partout sur Terre, y compris dans notre corps. « Comprendre l'effet nanoconfiné sur les propriétés des matériaux est également crucial pour développer de nouveaux dispositifs, telles que les membranes conductrices de protons et la nanofiltration, ", note Maniwa.

Ensuite, l'équipe prévoit d'étudier les propriétés physiques de l'eau confinée découvertes jusqu'à présent à l'intérieur des SWCNT (telles que la diélectricité et la conduction protonique). Ils s'efforceront d'obtenir une meilleure compréhension de la structure moléculaire et des propriétés de transport dans les systèmes biologiques.