Des expériences révèlent que l'eau peut "parler" aux électrons du graphène
Les résultats pourraient conduire à des applications dans les processus de purification et de désalinisation de l'eau et peut-être même à des ordinateurs à base de liquide.
L'eau et le carbone forment un couple quantique : l'écoulement de l'eau sur une surface de carbone est régi par un phénomène inhabituel appelé friction quantique. Un travail publié dans "Nature Nanotechnology" démontre expérimentalement ce phénomène - qui avait été prédit dans une étude théorique antérieure - à l'interface entre l'eau liquide et le graphène, une simple couche d'atomes de carbone. Des techniques ultrarapides avancées ont été utilisées pour réaliser cette étude. Ces résultats pourraient déboucher sur des applications dans les processus de purification et de désalinisation de l'eau et peut-être même sur des ordinateurs à base de liquide.
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Au cours des 20 dernières années, les scientifiques ont été intrigués par le comportement de l'eau à proximité des surfaces de carbone. Elle peut s'écouler beaucoup plus rapidement que ne le prévoient les théories conventionnelles sur l'écoulement ou former des arrangements étranges tels que la glace carrée. Aujourd'hui, une équipe internationale de chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères de Mayence (Allemagne), de l'Institut catalan des nanosciences et des nanotechnologies (ICN2, Espagne) et de l'université de Manchester (Angleterre) rapporte, dans une étude publiée dans Nature Nanotechnology, que l'eau peut interagir directement avec les électrons du carbone : un phénomène quantique très inhabituel dans la dynamique des fluides.
Un liquide, comme l'eau, est constitué de petites molécules qui se déplacent de manière aléatoire et se heurtent constamment les unes aux autres. Un solide, en revanche, est constitué d'atomes bien ordonnés qui baignent dans un nuage d'électrons. On suppose que les mondes solide et liquide n'interagissent que par le biais de collisions entre les molécules du liquide et les atomes du solide : les molécules du liquide ne "voient" pas les électrons du solide. Néanmoins, il y a un peu plus d'un an, une étude théorique bouleversant le paradigme a proposé qu'à l'interface eau-carbone, les molécules du liquide et les électrons du solide se poussent et se tirent mutuellement, ralentissant ainsi l'écoulement du liquide : ce nouvel effet a été appelé friction quantique. Toutefois, la proposition théorique n'a pas été vérifiée expérimentalement.
"Nous avons maintenant utilisé des lasers pour voir la friction quantique à l'œuvre", explique l'auteur principal de l'étude, le Dr Nikita Kavokine, chercheur à l'Institut Max Planck de Mayence et à l'Institut Flatiron de New York. L'équipe a étudié un échantillon de graphène, une monocouche d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille. Ils ont utilisé des impulsions laser rouges ultrabrèves (d'une durée de seulement un millionième de milliardième de seconde) pour chauffer instantanément le nuage d'électrons du graphène. Ils ont ensuite surveillé son refroidissement à l'aide d'impulsions laser térahertz, qui sont sensibles à la température des électrons du graphène. Cette technique est appelée spectroscopie pompe optique - sonde térahertz (OPTP).
À leur grande surprise, le nuage d'électrons s'est refroidi plus rapidement lorsque le graphène était immergé dans l'eau, tandis que l'immersion du graphène dans l'éthanol ne faisait aucune différence en termes de vitesse de refroidissement. "Cela indique une fois de plus que le couple eau-carbone est quelque peu spécial, mais nous devions encore comprendre ce qui se passait exactement", explique M. Kavokine. Une explication possible était que les électrons chauds poussent et tirent sur les molécules d'eau pour libérer une partie de leur chaleur : en d'autres termes, ils se refroidissent par friction quantique. Les chercheurs se sont penchés sur la théorie et, en effet, la friction quantique entre l'eau et le graphène pourrait expliquer les données expérimentales.
"Il est fascinant de voir que la dynamique des porteurs du graphène continue de nous surprendre avec des mécanismes inattendus, impliquant cette fois des interactions solide-liquide avec des molécules qui ne sont autres que l'eau omniprésente", commente le professeur Klaas-Jan Tielrooij de l'ICN2 (Espagne) et de l'Université technique d'Eindhoven (Pays-Bas). La particularité de l'eau est que ses vibrations, appelées hydrons, sont synchronisées avec les vibrations des électrons du graphène, appelées plasmons, de sorte que le transfert de chaleur graphène-eau est amélioré par un effet connu sous le nom de résonance.
Les expériences confirment ainsi le mécanisme de base de la friction quantique solide-liquide. Cela aura des implications pour les processus de filtration et de dessalement, dans lesquels la friction quantique pourrait être utilisée pour ajuster les propriétés de perméation des membranes nanoporeuses. "Nos résultats ne sont pas seulement intéressants pour les physiciens, ils ont également des implications potentielles pour l'électrocatalyse et la photocatalyse à l'interface solide-liquide", explique Xiaoqing Yu, doctorant à l'Institut Max Planck de Mayence et premier auteur de l'étude.
Cette découverte est le fruit de la combinaison d'un système expérimental, d'un outil de mesure et d'un cadre théorique qui vont rarement de pair. Le principal défi consiste désormais à contrôler l'interaction eau-électron. "Notre rêve est d'activer et de désactiver la friction quantique à la demande", explique M. Kavokine. "Nous pourrions ainsi concevoir des processus de filtration de l'eau plus intelligents, voire des ordinateurs à base de fluides.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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