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Un prisme électrique pour percer les mystères de l'eau

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Les lois de la mécanique quantique imposent aux molécules d'eau d'exister sous deux formes en fonction des états de spin des protons. Une ingénieuse méthode a été mise au point par des chercheurs allemands pour séparer ces deux types de molécules mélangées ordinairement dans l'eau. Elle devrait permettre de mieux comprendre des processus en astrophysique et en biologie dans lesquels ces deux états sont impliqués.

Dans une expérience réalisée en Allemagne, un groupe de physiciens a réussi à séparer en deux faisceaux moléculaires les molécules d’eau de type ortho et para ordinairement mélangées dans l’eau. Ce schéma montre les molécules d’eau ortho avec les spins des protons (sous forme de flèches) des atomes d’hydrogène (gris) orientés tous en haut, alors que ceux des molécules para sont orientés dans des directions opposées. Les atomes d’oxygène sont en rouge. © D. A. Horke, CFEL, DESY

On peut trouver dans la nature deux types de molécules d'eau : celles de formule H2O et celles qui contiennent un ou deux atomes de deutérium, respectivement l'eau semi-lourde, HDO, et l'eau lourde, D2O. Cette dernière est naturellement présente en très petites quantités dans l'eau ordinaire. Elle n'est pas toxique mais on a pu montrer que des souris buvant uniquement de l'eau lourde finissaient par avoir des problèmes au niveau des cellules.

Il est moins bien connu que les molécules d'eau peuvent exister sous deux formes dites para et ortho. Le phénomène existe se rencontre également avec les molécules d'hydrogène et est désigné par le terme d'isomérie de spin du dihydrogène. Alors que dans le cas de l'eau lourde, on est en présence d'isotopes du noyau d'hydrogène, avec les formes para et ortho des molécules d'eau et d'hydrogène, la différence se trouve ici au niveau de l'orientation du spin des protons, que l'on peut considérer comme des toupies avec un moment cinétique quantique. Lorsque la molécule est ortho, les spins des protons sont parallèles mais orientés dans la même direction. Lorsque la molécule est para, les spins sont toujours parallèles mais de sens opposés.

Le physicien et chimiste allemand Paul Harteck (1902-1985) a découvert en 1929 avec son collègue le chimiste Karl Friedrich Bonhoeffer (1899-1957) les isomères de spin de l’hydrogène, l’orthohydrogène et le parahydrogène. Harteck a fait partie avec Heisenberg du programme de recherche allemand sur la bombe atomique pendant la Seconde guerre mondiale. © Wikipédia CC-BY-SA-3.0-de

Les lois de la mécanique quantique disent que si l'on disposait initialement d'un ensemble de molécules d'eau isolées uniquement dans un état para ou ortho, elles devraient le rester. Mais comme elles subissent des interactions, à commencer par des collisions entre elles lorsqu'elles sont à l'état liquide, elles se répartissent sous les deux formes. La proportion de l'une et de l'autre est déterminée par les conditions physiques extérieures, notamment la température. Le phénomène est donc utile pour les astrophysiciens qui peuvent se servir du spectre des émissions de ces molécules pour déterminer par exemple la température des glaces interstellaires. Mais il existe des zones d'ombre, des contradictions entre la théorie et certaines mesures dans l'univers, sur lesquelles les astrochimistes aimeraient avoir des réponses. Mais pour cela, il faudrait disposer d'un moyen de produire des échantillons d'eau presque exclusivement composés de molécules d'un seul type.

Des isomères de spin de l’eau pour la RMN

C'est loin d'être évident. Deux chercheurs russes, Vladimir Tikhonov et Alexander Volkov, pensaient y être parvenus en 2002. Ils avaient, selon eux, réussi à produire des gouttes d'eau restant particulièrement enrichies en l'une des deux formes pendant environ 25 minutes. Hélas, la reproductibilité de l'expérience laissant à désirer, le scepticisme était de mise. Il y a quelques années une équipe de chercheurs du célèbre Technion en Israël s'est aussi attaquée à ce problème et a annoncé en 2011 avoir obtenu des résultats. Tout récemment, un groupe de chercheurs allemands du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) a relevé le défi à son tour et ces scientifiques viennent d'annoncer dans un article disponible sur arxiv qu'ils ont pu séparer les deux types de molécules à l'aide de faisceaux moléculaires plongés dans des champs électriques.

Pour cela, les physiciens ont commencé par placer une goutte d'eau dans un réservoir empli de néon et d'argon sous pression. Puis le réservoir a été connecté à une chambre à vide au moyen d'une valve. En l'ouvrant, la dépressurisation a provoqué l'évaporation de l'eau et l'éjection d'un faisceau moléculaire d'H2O se propageant à vitesse supersonique. L'opération ayant tout à la fois refroidi et dilué les molécules de sorte que leur taux de collisions soit devenu très bas, la conversion des molécules ortho en para a aussi été inhibée. En faisant passer le faisceau moléculaire dans une région contenant un champ électrique adéquat, celle-ci s'est comportée comme le ferait un prisme pour des rayons lumineux et a produit deux faisceaux moléculaires différents. Les mesures par spectroscopie ont montré que l'un contenait 74 % de molécules sous forme para et l'autre 97 % sous forme ortho.

Il se trouve que de l'eau enrichie en molécules de type para permet d'augmenter la sensibilité de la spectroscopie par RMN en biologie structurale, plus précisément dans le cas de l'étude de la structure de protéines. Disposer d'une source d'eau encore plus enrichie en molécules para pourrait donc permettre de faire progresser la biologie et la mise au point de nouveaux médicaments.

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