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Un degré d'ordre surprenant à la surface de minuscules gouttelettes d'eau

Elles sont présentes au-dessus de nous dans les particules de glace et les gouttelettes des nuages, en dessous de nous dans les roches et les champs de pétrole, et même à l'intérieur de nous, contribuant à l'administration de médicaments. Mais, malgré leur omniprésence, nous savions jusqu'à présent peu de choses sur la surface de ces minuscules gouttelettes d'eau.
Un degré d'ordre surprenant à la surface de minuscules gouttelettes d'eau
Partout autour de nous, les environnements hydrophobes (qui repoussent l'eau) contiennent des gouttelettes d'eau de taille microscopique et nanoscopique. Parallèlement, les processus biologiques dépendent des interactions de gouttelettes d'eau avec d'autres interfaces. Il faut en effet rappeler que 60 % du corps humain est lui-même constitué d'eau. Le projet WII (Water, Ions, Interfaces), financé par l'UE, a permis de mieux connaître les effets quantiques dans l'eau et sur un ensemble d'interfaces avec lesquelles les gouttelettes d'eau interagissent.

WII a été mis en place pour développer nos connaissances sur la façon dont les propriétés structurelles, dynamiques et biologiques de l'eau contribuent au fonctionnement des systèmes vivants, ainsi que dans l'espoir de susciter des innovations technologiques capables d'exploiter les modèles trouvés dans la nature. Dans Nature Communications, les membres de l'équipe WII ont récemment rapporté avoir découvert que les molécules présentes à la surface des gouttelettes d'eau sont étonnamment mieux organisées qu'on ne le pensait auparavant.

Un ballet moléculaire à la surface de l'eau

L'étude publiée visait à mieux comprendre les propriétés et le comportement des gouttelettes d'eau lorsqu'elles sont entourées d'une substance hydrophobe comme l'huile, car cela a des conséquences sur le fonctionnement du système aqueux dans son ensemble. Les connaissances sur les gouttelettes d'eau découlent en général de données obtenues à partir d'études examinant les interfaces macroscopiques air/eau ou de solutions aqueuses d'hydrophobes solvatés. Comme le soulignent les auteurs, cette méthodologie n'est pas exacte, du fait des différences de taille, de composition chimique et de dépendance à la température par rapport aux environnements des gouttelettes réelles, dont la taille minuscule représente environ le millième de l'épaisseur d'un cheveu.

Les chercheurs de WII ont développé une méthode exclusive pour étudier la surface de ces minuscules gouttelettes. Selon le professeur Sylvie Roke, coordinatrice du projet WII, «La méthode consiste à superposer des impulsions laser extrêmement brèves dans un mélange de gouttelettes d'eau et d'huile, et de détecter les photons diffusés uniquement à partir de l'interface.» Elle poursuit en expliquant que «ces photons ont la fréquence somme des photons entrants et sont donc d'une couleur différente. Grâce à la génération de cette nouvelle couleur, nous pouvons déterminer la structure de l'interface.»

Les chercheurs ont déterminé que la surface des gouttelettes d'eau est beaucoup plus ordonnée que celle de l'eau normale, et qu'elle peut en quelque sorte être comparée à celle de la glace, avec des molécules qui ont des liaisons hydrogène très forte, chaque molécule étant entourée par une structure tétraédrique stable (en forme de pyramide). Chose étonnante, cet arrangement est même apparu à température ambiante à la surface des minuscules gouttelettes, c'est-à-dire à 50 °C de plus que la température attendue.

On sait que si le réseau tridimensionnel de liaisons hydrogène de l'eau est coopératif, il se réorganise également toutes les quelques femtosecondes (un billiardième de seconde) et des interactions de niveau quantique déterminent ses propriétés. L'une des principales contributions de WII a consisté à projeter à l'échelle macroscopique ces phénomènes se déroulant au niveau quantique et à une échelle temporelle de quelques femtosecondes. Les résultats obtenus pourraient éclairer toute une série de processus atmosphériques, biologiques et géologiques.

Pour plus d'informations, veuillez consulter:
page web du projet sur CORDIS

Source: D'après des informations communiquées par le projet et des communiqués de presse

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