Comment l'eau cache son secret quantique
Des chercheurs montrent expérimentalement pourquoi l'eau et l'eau lourde se comportent de manière similaire
Près des trois quarts de la terre sont recouverts d'eau. L'eau est le liquide le plus abondant, mais aussi le plus étrange - par exemple, sa densité maximale est atteinte à 4 °C. Les chercheurs Yuki Nagata et Mischa Bonn du MPI pour la recherche sur les polymères ont maintenant étudié l'eau normale -H2O- et l'eau lourde -D2O- en laboratoire et ont découvert pourquoi les deux éléments se comportent de manière similaire, même si les atomes de deutérium (D) sont deux fois plus lourds que les atomes d'hydrogène (H). Leurs recherches peuvent expliquer, par exemple, pourquoi les points de congélation des deux types d'eau sont plus proches l'un de l'autre qu'on ne le penserait à première vue.
Plus de 70 % de la terre est recouverte d'eau -H2O. Une proportion presque négligeable de quelques pour cent est constituée d'"eau lourde", dans laquelle les atomes d'hydrogène (H) sont remplacés par des atomes de deutérium (D). Le noyau du deutérium contient un neutron de plus que celui de l'hydrogène et pèse environ deux fois plus.
On pourrait donc s'attendre à ce que les propriétés de l'eau lourde, dans laquelle deux atomes deux fois plus lourds sont liés à l'atome d'oxygène, diffèrent sensiblement de celles de l'eau normale. En fait, les températures de congélation des deux types d'eau ne diffèrent que de 4 °C. Des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, sous la direction de Mischa Bonn, ont pu montrer pour la première fois que deux effets spéciaux de la mécanique quantique - appelés effets quantiques nucléaires (EQN) - qui se compensent l'un l'autre, en sont responsables.
Selon la mécanique quantique, les atomes continuent de bouger même au zéro absolu, c'est-à-dire à -273 °C. Ils "oscillent" ou "tremblent" : Ils "oscillent" ou "tremblent" légèrement autour d'une position centrale. C'est ce que l'on appelle l'"énergie du point zéro". Les atomes d'hydrogène de l'eau normale ne se trouvent donc pas à une distance définie et fixe de l'atome d'oxygène, mais dans un certain "nuage", qui s'étend autour d'une distance moyenne. L'hydrogène étant un atome de faible masse, ces nuages d'hydrogène sont importants, les NQE sont prononcés et la vibration a une grande amplitude.
Si l'hydrogène est remplacé par du deutérium, plus lourd, les atomes vibrent moins. La distance moyenne diminue, ce qui signifie que l'atome de deutérium se rapproche de l'atome d'oxygène. Grâce à cet effet intramoléculaire, l'expansion spatiale d'une molécule d'eau est réduite. Simultanément, la distance avec la molécule d'eau suivante augmente, ce qui réduit l'énergie de liaison.
L'énergie de liaison est une mesure de la facilité avec laquelle deux molécules d'eau peuvent être séparées l'une de l'autre, par exemple lors du passage de la glace à l'eau liquide.
Dans le même temps, l'atome de deutérium peut osciller non seulement dans la direction de la ligne de liaison avec l'atome d'oxygène, mais aussi perpendiculairement à celle-ci. Lors de l'échange d'hydrogène contre du deutérium, cet effet intermoléculaire s'oppose à l'effet intramoléculaire : si l'un réduit l'énergie de liaison, l'autre l'augmente dans une mesure comparable.
Les températures de congélation ne diffèrent que légèrement parce que les deux effets mécaniques quantiques ont des effets opposés sur l'énergie de liaison et se compensent approximativement.
Pour mesurer ces effets subtils, les chercheurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie de génération de somme de fréquences détectée par hétérodyne (HD-SFG). Cette méthode leur a permis d'étudier la couche d'eau supérieure à l'interface air-eau, où les molécules d'eau existent avec une extrémité "libre" qui n'est pas attachée à d'autres molécules d'eau. En analysant soigneusement les spectres vibrationnels de l'eau avec différentes proportions d'hydrogène et de deutérium, les scientifiques ont pu déduire et quantifier les composantes énergétiques individuelles inter- et intramoléculaires.
Ces travaux, publiés dans la revue Science Advances, fournissent la première preuve expérimentale de la concurrence et de l'annulation presque complète des effets quantiques intramoléculaires et intermoléculaires dans l'eau, ce qui n'a longtemps été prédit que théoriquement. Elle souligne l'importance de prendre en compte ces phénomènes quantiques lorsqu'on tente de comprendre le comportement de l'eau. Cela a des implications dans des domaines allant de la recherche climatique à la biochimie, où les propriétés de l'eau jouent un rôle crucial. En outre, l'approche innovante de l'équipe ouvre de nouvelles voies pour l'étude des effets quantiques dans d'autres systèmes complexes.
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