La méthode consiste à superposer des impulsions laser ultracourtes dans un mélange de gouttelettes d'eau dans de l'huile liquide et à détecter des photons qui ne sont diffusés qu'à partir de l'interface. Crédit :© EPFL/Chaire Julia Jacobi de Photomédecine - Laboratoire de BioPhotonique Fondamentale
Des chercheurs de l'AMOLF et de l'EPFL suisse ont montré que la surface de minuscules gouttes d'eau entourées d'une substance hydrophobe telle que l'huile est étonnamment ordonnée. À température ambiante, les molécules d'eau de surface de ces gouttelettes ont des interactions beaucoup plus fortes qu'à une surface d'eau normale. Cela peut jeter un nouvel éclairage sur une variété d'atmosphères, processus biologiques et même géologiques.
Les gouttes d'eau de taille nanométrique sont partout - dans l'air sous forme de gouttelettes ou d'aérosols, dans les médicaments fabriqués industriellement, et dans les roches et les champs pétrolifères. Pour comprendre le comportement de ces gouttes, il est nécessaire de savoir comment ils interagissent avec leur environnement hydrophobe. Cette interaction a lieu à l'interface de gouttelette incurvée, une région sub-nanométrique qui entoure la petite poche d'eau. Chercheurs de l'EPFL, en collaboration avec l'institut AMOLF aux Pays-Bas ont découvert que les molécules à la surface des gouttes étaient beaucoup plus ordonnées que prévu. Leurs résultats surprenants ont été publiés dans Communication Nature . Ils ouvrent la voie à une meilleure compréhension de l'atmosphère, processus biologiques et géologiques.
Perspective unique sur de minuscules gouttelettes
A l'EPFL, Sylvie Roke a mis au point une méthode unique pour examiner la surface de gouttelettes d'un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain, avec un volume d'un attolitre (10 −18 litres). "La méthode consiste à superposer des impulsions laser ultracourtes dans un mélange de gouttelettes d'eau dans de l'huile liquide et à détecter des photons qui ne sont diffusés qu'à partir de l'interface", explique Roke. "Ces photons ont la fréquence somme des photons entrants et sont donc d'une couleur différente. Avec cette couleur nouvellement générée, nous pouvons déterminer la structure de l'interface."
Liaison hydrogène aussi forte que dans la glace
La surface des gouttelettes d'eau s'avère beaucoup plus ordonnée que celle de l'eau normale, et est comparable à l'eau surfondue dans laquelle les molécules ont de très fortes interactions de liaison hydrogène. Dans la glace, ces interactions conduisent à une configuration tétraédrique stable entourant chaque molécule d'eau. Étonnamment, ce type de structure a été trouvé à la surface des gouttelettes même à la température ambiante - 50 °C au-dessus de celle où elle apparaîtrait normalement.
La surface des gouttelettes d'eau s'avère beaucoup plus ordonnée que celle de l'eau normale et est comparable à de l'eau super refroidie (liquide <0 °C eau) eau dans laquelle les molécules d'eau ont de très fortes interactions de liaison hydrogène. Crédit :EPFL-Chaire Julia Jacobi de Photomédecine - Laboratoire de BioPhotonique Fondamentale
Procédés chimiques
Cette recherche fournit des informations précieuses sur les propriétés des gouttes d'eau nanométriques. "Les propriétés chimiques de ces gouttes dépendent de l'organisation des molécules d'eau à la surface, il est donc très important de comprendre ce qui se passe là-bas, " a expliqué Roke. Des recherches supplémentaires pourraient cibler les propriétés de surface des gouttelettes d'eau avec l'ajout de sel, un modèle plus réaliste d'aérosols marins constitués d'eau salée entourée d'un environnement hydrophobe. Le sel peut soit améliorer le réseau d'eau, soit réduire sa force. "Ou, ça peut ne rien faire du tout. Compte tenu des résultats surprenants trouvés ici, on ne peut que spéculer, " dit Roke.
