Ce que révèle une étude sur l’eau confinée dans de minuscules espaces
L’eau, bien plus étudiée que presque toute autre substance, soulève une question simple mais complexe : que se passe-t-il sur le plan chimique lorsque cette dernière est compressée dans des espaces de quelques molécules de large ? Une nouvelle étude a apporté des réponses nuancées, aidant à résoudre des années de résultats contradictoires.
Ces espaces minuscules se trouvent à la fois dans la nature et dans la technologie, notamment dans des pores à l’échelle nanométrique, des membranes et des canaux biologiques. Les chercheurs ont voulu savoir si le confinement de l’eau dans des espaces mesurant quelques milliardièmes de mètre modifie la facilité avec laquelle cette dernière se dissocie en ions.
Les résultats, publiés dans la revue Science Advances, indiquent que la réactivité chimique apparente de l’eau confinée dépend fortement de facteurs tels que la densité, la taille des pores, la flexibilité des parois et la chimie de surface. Xavier R. Advincula, auteur principal de l’étude, a souligné que « lorsque nous avons comparé des systèmes sous des conditions thermodynamiques équivalentes, l’effet du confinement a largement disparu. En d’autres termes, le confinement à lui seul ne change pas intrinsèquement la réactivité de l’eau. »
Les chercheurs ont également utilisé des simulations d’apprentissage machine pour reproduire une précision quantique, leur permettant d’explorer un éventail de conditions plus large que les méthodes de calcul traditionnelles. Ils ont examiné de l’eau piégée entre des couches de graphène et de nitrure de bore hexagonal (hBN). Bien que ces matériaux soient d’une épaisseur d’un atome et possèdent une structure similaire, leur chimie de surface est très différente.
Les simulations ont révélé que les gouttelettes d’eau confinées entre ces matériaux subissent des pressions internes extrêmement élevées, atteignant plusieurs gigapascals, comparable à celles trouvées en profondeur dans la Terre. Cette pression se développe naturellement en raison de l’attraction de van der Waals entre les couches atomiquement fines.
Les chercheurs ont découvert que ces pressions intenses augmentent considérablement la dissociation des molécules d’eau. Toutefois, lorsqu’ils ont comparé l’eau confinée à de l’eau en vrac soumise à la même pression, les deux se comportaient de manière essentiellement identique, indiquant que l’augmentation de la réactivité provient principalement de la pression elle-même.
Les résultats montrent également que le matériau entourant l’eau confinée peut influencer son comportement chimique. Par exemple, dans les gouttelettes d’eau confinées par hBN, les ions hydroxyles formés autour des bords ont établi des liaisons chimiques avec le matériau environnant, stabilisant ainsi les ions et augmentant la dissociation.
Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre la chimie de l’eau à l’échelle nanométrique et pourrait avoir d’importantes implications pour les technologies utilisant de l’eau confinée, telles que les piles à hydrogène, les batteries et les systèmes catalytiques. Les chercheurs prévoient d’explorer des environnements plus réalistes et de comparer leurs prédictions avec des mes de laboratoire.
Source : Science Advances
