Des scientifiques font un bond dans la recherche quantique grâce à une simple molécule d'eau

Les scientifiques chinois sont les premiers à être capable d'observer la structure atomique d'un hydroxyde de sodium et la constitution chimique de base de ce qu'on appelle l'eau de mer.

Plusieurs spécialistes ont affirmé lundi dans la revue scientifique Nature que cette technique pourrait être utilisée pour étudier d'autres liquides constitués d'eau et ouvrir de nouveaux horizons aux sciences des molécules et des matériaux.

C'est la première fois que des scientifiques sont capables de visualiser la structure atomique d'ions hydratés dans leur environnement naturel depuis que cette notion est née il y a plus d'un siècle.

D'après l'article publié dans Nature, cette même équipe de scientifiques a également découvert qu'il fallait exactement trois molécules d'eau pour permettre à un seul ion sodium de se déplacer 10 à 100 fois plus vite que les autres ions hydratés, un phénomène qui pourrait être utilisé pour améliorer l'efficience des batteries à ions, des revêtements anticorrosion et des usines de désalinisation d'eau de mer. L'eau est le liquide le plus abondant sur Terre. Sa structure chimique très simple formée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène constitue la base sur laquelle repose la plupart des êtres vivants sur Terre, comme l'explique Wang Enge, physicien et membre de l'Académie chinoise des sciences.

« Mais le phénomène scientifique derrière l'eau, notamment au niveau de sa structure et de ses interactions avec d'autres éléments chimiques, est extrêmement compliqué et mal compris », affirme Wang. En 2005, la revue Science a classé l'eau parmi les énigmes scientifiques les plus irréductibles de notre temps, en dépit de tout ce qui a été fait depuis un siècle en termes de recherche.

Depuis la fin du 19e siècle, les scientifiques étudient l'hydratation des ions, un processus dans lequel l'eau dissout des matières solubles comme la chlorure de sodium, que l'on appelle communément le sel. Bien que ce phénomène soit très courant dans la nature, ce qu'il se passe exactement au niveau atomique reste un mystère.

« La raison principale qui explique la complexité de l'eau est sa simplicité », explique Jiang Ying, professeur au Centre international sur les matériaux quantiques de l'université de Pékin qui a pris part à la recherche.

Selon lui, les atomes d'hydrogène sont si simples et si petits comparés aux atomes d'oxygène que les propriétés de la mécanique quantique entrent en interférence avec les expériences et les rendent moins prévisibles.

« Par conséquent, il est crucial pour les scientifiques de parvenir à observer directement comment l'eau interagit avec d'autres matières au niveau atomique. » Grâce à ce nouveau microscope à force atomique mis au point par les scientifiques chinois, il est désormais possible « d'observer le moindre changement dans la structure d'une molécule d'eau entourant les ions », rapporte Jiang.

Les scientifiques ont découvert que les trois molécules d'eau entourant un seul ion sodium peuvent se déplacer à une vitesse exceptionnelle sur la surface d'une molécule de chlorure de sodium. Ce « phénomène sublime » peut se produire à température ambiante, mais se vérifie également avec des ions constitués d'autres éléments chimiques comme les ions potassium, l'un des ions qui est indispensable à la communication neuronale.

« Bien que le chiffre magique diffère entre chaque type d'ions, le phénomène change la donne dans tous les domaines qui ont à voir avec les ions », explique Jiang. Par exemple, les ingénieurs pourront modifier la vitesse de débit des ions lithium dans les batteries afin qu'elles puissent être rechargées plus vite ou qu'elles emmagasinent davantage d'énergie.

Les scientifiques pourront également créer des systèmes de filtrage spéciaux qui pourraient changer le nombre de molécules d'eau entourant un ion afin d'accélérer ou de ralentir la vitesse de filtrage en fonction des besoins.

Selon Jiang, cette découverte va également permettre aux scientifiques d'avoir une meilleure compréhension de la façon dont les cellules communiquent entre elles en échangeant des ions via les canaux qui parcourent leurs membranes.

Jiang affirme que ces découvertes pourraient bien avoir des répercussions scientifiques profondes sur les futures techniques utilisées dans les domaines de la biologie et de la médecine. Il ajoute qu'au cours des 20 dernières années, deux prix Nobel ont été donnés pour récompenser des travaux scientifiques sur les canaux ioniques, le premier pour leur découverte en 1991 et le second pour les mécanismes des canaux hydriques en 2003.