Glace carrée entre deux feuilles de graphène comme on le voit au microscope électronique à transmission. Les taches sombres à contraste élevé sont des atomes d'oxygène qui indiquent la position des molécules d'eau. Les atomes d'hydrogène produisent trop peu de contraste pour être résolus même par le MET de pointe. L'encart en haut à droite montre une image agrandie d'une petite zone au centre du cristal de glace. Crédit :Université d'Ulm, Allemagne
Les découvertes révolutionnaires, rapporté dans le journal La nature , permettent une meilleure compréhension du comportement contre-intuitif de l'eau à l'échelle moléculaire et sont importants pour le développement de technologies plus efficaces, notamment la filtration, dessalement et distillation.
L'eau est l'une des substances les plus connues et les plus abondantes sur Terre. Il existe sous plusieurs formes, sous forme liquide, vapeur et jusqu'à 15 structures cristallines de glace, la glace hexagonale communément trouvée étant à elle seule responsable de la fascinante variété de flocons de neige.
Moins visible mais tout aussi omniprésente est l'eau aux interfaces et confinée dans des pores microscopiques. En réalité, quelques monocouches d'eau recouvrent toutes les surfaces autour de nous, même dans les déserts les plus secs, et remplissez chaque fissure microscopique, par exemple, ceux présents dans les roches.
Encore, on sait très peu de choses sur la structure et le comportement de cette eau microscopique, surtout quand il est caché de la vue, dans des capillaires profondément à l'intérieur d'un matériau en vrac.
Une équipe internationale de chercheurs de l'Université de Manchester, l'Université d'Ulm en Allemagne et l'Université des sciences et technologies de Chine ont créé un capillaire nanométrique transparent pour étudier la structure atomique de l'eau piégée à l'intérieur. Ils ont utilisé la microscopie électronique à fort grossissement qui leur a permis de voir des molécules d'eau individuelles, et le nano-capillaire a été fabriqué à partir de graphène d'une épaisseur d'un atome et n'obscurcit pas l'imagerie par microscopie électronique.
A leur grande surprise, les scientifiques ont trouvé de petits cristaux carrés de glace à température ambiante, à condition que les capillaires de graphène soient suffisamment étroits, ne permettant pas plus de trois couches atomiques d'eau. Les molécules d'eau forment un réseau carré, assis le long de rangées bien espacées et perpendiculaires les unes aux autres. Un tel arrangement carré plat est complètement inhabituel pour l'eau dont les molécules forment toujours de petites structures pyramidales à l'intérieur de toutes les glaces connues auparavant.
À l'aide de simulations informatiques, les chercheurs ont également tenté de déterminer à quel point la glace carrée est courante dans la nature. Les résultats montrent que, si la couche d'eau est assez fine, il devrait former de la glace carrée indépendamment d'une composition chimique exacte des parois de confinement d'un nanopore.
Par conséquent, il est probable que la glace carrée soit très courante à l'échelle moléculaire et présente à l'extrémité de chaque fissure ou pore microscopique de n'importe quel matériau.
Professeur Irina Grigorieva, qui a dirigé la partie de Manchester des efforts, a commenté :« Les scientifiques ont essayé de comprendre la structure de l'eau confinée dans des canaux étroits pendant des décennies, mais jusqu'à présent, cela n'était possible que par des simulations informatiques, et les résultats ne concordaient souvent pas les uns avec les autres".
Simulations informatiques de glace carrée. Instantané typique obtenu dans des simulations de dynamique moléculaire d'une monocouche d'eau à l'intérieur d'un nanocapillaire de graphène. Les cercles rouges et blancs sont des atomes d'oxygène et d'hydrogène, respectivement; de courtes lignes bleues indiquent des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau. Crédit :Université des sciences et technologies de Chine
« Fissures microscopiques, pores, les chaînes sont partout, et pas seulement sur cette planète. Savoir que l'eau à l'échelle nanométrique se comporte si différemment de l'eau courante en vrac est important pour une meilleure compréhension des matériaux. »
Monsieur André Geim, qui a reçu un prix Nobel pour le graphène et a maintenant co-écrit l'article, a déclaré:"Cette étude a été stimulée par nos observations précédentes d'écoulement ultrarapide d'eau à travers des nanocapillaires de graphène. Nous avons même spéculé que cela pourrait être dû à de la glace carrée bidimensionnelle … mais voir c'est croire."
Il a ajouté :« L'eau est probablement la substance la plus étudiée de tous les temps, mais personne ne pensait que la glace pouvait être carrée. Cette histoire montre combien de nouvelles connaissances restent à découvrir lorsque l'on descend à l'échelle nanométrique.
