Lorsqu’elle est confinée dans des nanotubes de carbone, des sortes de pailles extrêmement fines, l’eau passe à l’état solide au-delà de 100 °C ! © Khongtham, Shutterstock

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Dans une nanostructure, l'eau change d'état quantique...

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Fin juin 2017, des chercheurs découvraient que l'eau liquide, curieusement, est en fait constituée de deux formes différentes. Pour surprenante qu'elle soit, cette observation vient s'insérer dans une longue suite de bizarreries de l'eau. En décembre dernier, des scientifiques la voyait se faufiler dans des nanotubes trop petits pour elle, semblant montrer qu'elle était passée à l'état solide à plus de 100 °C.

Article paru le 26 décembre 2016

De l'eau qui passe de l'état liquide à l'état solide à une température qui excède les 100 °C. C'est incroyable ! Et pourtant bien vrai si l'on se fie à une expérience menée par des chercheurs du MIT (Massachusetts Institute of Technology). Une expérience dans laquelle ils ont confiné de l'eau dans des nanotubes de carbone.

Comment ont-ils réussi cette prouesse ? Cela reste un mystère, reconnaissent-ils. Car les nanotubes de carbone sont réputés hydrophobes. Pourtant, des molécules d'eau sont parvenues à se frayer un chemin dans ces minuscules tuyaux à peine plus larges qu'elles. Les chercheurs du MIT ont alors fait monter la température. Et là, surprise !

Des images en spectroscopie vibrationnelle — qui permettent de révéler les mouvements des molécules d’eau — ont trahi le comportement de l’eau confinée dans des nanotubes de carbone. À gauche, l’eau sous sa forme liquide. À droite, une eau qui commence à se solidifier au-delà de 100 °C. © Michael Strano, Massachusetts Institute of Technology

Quand l'eau gèle à 105 °C

À une température de 105 °C — une température à laquelle en principe, l'eau devrait passer à l'état gazeux —, ils ont commencé à voir apparaître des signes d'un passage de l'eau à un état solide ! Un état solide qu'ils se refusent pour l'heure d'appeler glace. Car malgré la précision de leurs mesures — effectuées à l'aide d'un système de spectroscopie vibrationnelle — ils n'ont pas pu en déterminer la structure cristalline particulière.

Ce qu'ils assurent en revanche, c'est qu'une infime variation du diamètre des nanotubes — entre 1,05 et 1,06 nanomètre — a de grandes conséquences — plusieurs dizaines de degrés — sur la température de solidification en question. De quoi envisager sérieusement de concevoir des câbles à eau permettant de conduire le courant protonique 10 fois plus efficacement que des câbles classiques.

Pour en savoir plus

L'état quantique de l'eau est aussi modifié dans un nanotube

Article de Laurent Sacco paru le 10/02/2011

Un groupe de chercheurs vient d'établir que l'état quantique des protons des molécules d'eau change lorsqu'elles se trouvent confinées dans un nanotube. Le même phénomène pourrait se produire dans les cellules vivantes.

L'eau fascine et séduit aussi bien par ses propriétés esthétiques lorsqu'elle s'écoule que par ses propriétés physiques. Son comportement en apesanteur, par exemple à bord de l'ISS, en est une bonne illustration. Mais la véritable raison pour laquelle de tout temps les Hommes se sont intéressés à l'eau vient certainement du fait qu'elle est une source de vie dans l'univers.

Lorsque les physiciens ont commencé à étudier l'eau, ils ont été de surprises en surprises. Par exemple, on sait maintenant que l'eau est moins dense à l'état solide qu'à l'état liquide. Elle peut presque être considérée comme un solvant universel, tant il est facile de mettre bien des substances en solution avec elle.

La nature quantique de la liaison chimique

On a commencé à percer les secrets de l'eau à partir du moment où l'on a compris que les forces électromagnétiques intervenaient dans la nature de la liaison chimique entre atomes et molécules, et surtout lorsque Schrödinger a découvert sa fameuse équation décrivant l'état quantique d'un système physique. Pour autant qu'on le sache d'ailleurs, cette équation domine toute la physique et la chimie, du Big Bang au Vivant, dans l'univers.

Dans l'eau liquide, des forces électrostatiques établissent des liaisons fragiles entre les atomes d'hydrogène d'une molécule et l'atome d'oxygène d'une autre. En utilisant des faisceaux de neutrons, un groupe de physiciens vient de découvrir que l'état quantique des protons dans les molécules d'eau n'était pas le même quand ces molécules s'ébattent librement dans un verre et quand elles se trouvent confinées dans un nanotube de carbone de 1,6 nanomètre de diamètre.

Des conséquences des cellules vivantes aux piles à combustible ?

Un changement d'état quantique a aussi été découvert dans des molécules d'eau piégées dans du Nafion. C'est une résine échangeuse d'ions entièrement fluorée, formée d'une colonne vertébrale ne contenant que des groupes CFn sur laquelle sont branchés des groupements d'acide sulfonique. Le Nafion est utilisé comme catalyseur acide, membrane en électrosynthèse et enfin séparateur dans les piles à combustible.

Or, les distances entre les structures dans les cellules vivantes sont aussi de l'ordre de quelques nanomètres. L'eau confinée dans ces structures pourrait donc avoir des propriétés nouvelles, importantes pour la vie, inconnues jusque-là. On peut imaginer aussi que cette découverte puisse ouvrir de nouvelles pistes dans la conception piles à combustible plus efficaces.

À bord de l'ISS, de l'eau en impesanteur amuse les astronautes  Lorsque Steve Swanson, Reid Wiseman et Alexander Gerts, trois astronautes à bord de l’ISS, testent le comportement de l’eau dans un environnement soumis à la microgravité, cela donne lieu à un spectacle surprenant. Voici en vidéo un extrait de leurs expériences.