Le comportement des protons en milieu aqueux
Un proton est un atome d'hydrogène qui a perdu son unique électron, devenant ainsi un ion de charge positive. Par rapport aux autres ions, les protons ont une mobilité extrêmement élevée dans l'eau, qui s'explique par leurs interactions avec l'eau elle-même. Le transport dans l'eau pure a déjà été très étudié, mais dans la plupart des cas, les protons sont en présence d'autres solutés et traversent des structures particulières comme les canaux ioniques. Des scientifiques ont récemment élargi la compréhension des processus moins connus survenant dans ces environnements complexes et très perturbés, grâce au financement par l'UE du projet PERTPROTONDYN («Aqueous proton mobility near ions and in nano-confined geometries»). Pour effectuer leurs mesures, les chercheurs ont utilisé des techniques puissantes de spectroscopie non linéaire. Ils ont notablement perfectionné les capacités de la spectroscopie à haut débit et haute fréquence par relaxation diélectrique (DRS), apportant d'importantes informations sur les moments du dipôle moléculaire et les porteurs de charge libre. Ils ont aussi utilisé une technique par infrarouges pour visualiser la mobilité en rotation des groupes hydroxyle (-OH) de l'eau. Les cations divalents calcium (Ca2+) et magnésium (Mg2+) sont des éléments importants des liquides biologiques. La DRS a révélé pour la première fois leur impact sur le nombre de molécules d'eau affectées par la présence des protons. L'étude de la mobilité des protons confinés dans des espaces très limitées est difficile car le courant généré est si faible qu'il est presque impossible à mesurer. La DRS a aussi permis d'observer une polarisation inattendue des protons confinés dans des gouttelettes d'eau nanométriques. Les chercheurs ont étudié les effets de l'hydratation d'une membrane en Nafion sur la mobilité en rotation de l'eau et sur la mobilité des protons et des ions sodium. Ces travaux informent sur des processus essentiels comme le transport de l'énergie dans les systèmes biologiques et les mécanismes affectant les ions dans les piles à combustible. Enfin, l'équipe a associé la DRS avec une spectroscopie rapide aux infrarouges moyens, pour examiner la dynamique moléculaire d'un neurotransmetteur inhibiteur courant et de l'urée (un composé important de l'urine). Les résultats obtenus sont en cours de publication. Le projet PERTPROTONDYN a apporté d'importantes informations sur les mécanismes de transport des protons hydratés dans des environnements complexes qui sont critiques pour de nombreux processus, naturels ou industriels.
Mots‑clés
Proton, aqueux, mobilité dans l'eau, mobilité du proton, nano-confinement, spectroscopie par relaxation diélectrique, mobilité en rotation
