New phases of water detected

Des scientifiques de l’Université de Cambridge ont découvert que l’eau dans une couche d’une molécule n’agit ni comme un liquide ni comme un solide, et qu’elle devient hautement conductrice à des pressions élevées.

On sait beaucoup de choses sur le comportement de “l’eau en vrac”: elle se dilate lorsqu’elle gèle et a un point d’ébullition élevé. Mais lorsque l’eau est comprimée à l’échelle nanométrique, ses propriétés changent radicalement.

En développant une nouvelle façon de prédire ce comportement inhabituel avec une précision sans précédent, les chercheurs ont détecté plusieurs nouvelles phases de l’eau au niveau moléculaire.

L’eau emprisonnée entre les membranes ou dans de minuscules cavités à l’échelle nanométrique est courante : on peut la trouver dans tout, des membranes de notre corps aux formations géologiques. Mais cette eau nanoconfinée se comporte très différemment de l’eau que nous buvons.

Jusqu’à présent, les défis de la caractérisation expérimentale des phases de l’eau à l’échelle nanométrique ont empêché une compréhension complète de leur comportement. Mais dans un article publié dans le magazine La natureL’équipe dirigée par Cambridge décrit comment elle a utilisé les avancées des approches informatiques pour prédire le diagramme de phase d’une couche d’eau d’une épaisseur d’une molécule avec une précision sans précédent.

Ils ont utilisé une combinaison d’approches informatiques pour permettre une enquête de premier niveau sur une seule couche d’eau.

Les chercheurs ont découvert que l’eau qui est confinée dans une couche d’une molécule d’épaisseur passe par plusieurs phases, dont une phase “hexatique” et une phase “superionique”. Dans la phase hexatique, l’eau n’agit ni comme un solide ni comme un liquide, mais comme quelque chose entre les deux. Dans la phase superionique, qui se produit à des pressions plus élevées, l’eau devient hautement conductrice, propulsant rapidement les protons à travers la glace d’une manière similaire au flux d’électrons dans un conducteur.

Comprendre le comportement de l’eau à l’échelle nanométrique est essentiel pour de nombreuses nouvelles technologies. Le succès des traitements médicaux peut dépendre de la réaction de l’eau emprisonnée dans les petites cavités de notre corps. Le développement d’électrolytes hautement conducteurs pour les batteries, le dessalement de l’eau et le transport de fluide sans frottement dépendent de la prédiction du comportement de l’eau confinée.

“Pour tous ces domaines, comprendre le comportement de l’eau est la question fondamentale”, a déclaré le Dr Venkat Kapil du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, premier auteur de l’article. “Notre approche permet l’étude d’une seule couche d’eau dans un canal de type graphène avec une précision prédictive sans précédent.”

Les chercheurs ont découvert que la couche d’eau d’une épaisseur d’une molécule dans le nanocanal présentait un comportement de phase riche et diversifié. Son approche prédit plusieurs phases dont la phase hexatique, un intermédiaire entre un solide et un liquide, ainsi qu’une phase superionique, dans laquelle l’eau a une conductivité électrique élevée.

“La phase hexatique n’est ni solide ni liquide, mais intermédiaire, ce qui est cohérent avec les théories précédentes sur les matériaux bidimensionnels”, a déclaré Kapil. “Notre approche suggère également que cette phase peut être observée expérimentalement en confinant l’eau dans un canal de graphène.

“L’existence de la phase superionique dans des conditions facilement accessibles est particulière, car cette phase se trouve généralement dans des conditions extrêmes comme le noyau d’Uranus et de Neptune. Une façon de visualiser cette phase est que les atomes d’oxygène forment un réseau solide et que les protons circulent. comme un liquide à travers le treillis, comme des enfants qui courent dans un labyrinthe.”

Les chercheurs affirment que cette phase superionique pourrait être importante pour les futurs électrolytes et matériaux de batterie, car elle affiche une conductivité électrique 100 à 1 000 fois plus élevée que les matériaux de batterie actuels.

Les résultats aideront non seulement à comprendre comment l’eau fonctionne à l’échelle nanométrique, mais suggèrent également que le “nanoconfinement” pourrait être une nouvelle voie pour découvrir le comportement superionique d’autres matériaux.