Grâce à la modélisation informatique et à la diffusion des neutrons, des physiciens ont découvert un nouvel état de la molécule d’eau.
Les physiciens ont découvert que l’eau contenue dans le béryl minéral présente des caractéristiques uniques et inattendues. Crédit photo : Jeff Scovil.
Dans un article publié dans le journal Physical Review Lettersles scientifiques décrivent un nouvel “état de tunnel quantique” des molécules d’eau confinées dans des canaux hexagonaux ultra petits – 5 angströms de diamètre – du minéral béryl, caractérisé par une délocalisation étendue des protons et des électrons.
“À basse température, cette eau à effet tunnel présente un mouvement quantique à travers les parois de potentiel de séparation, ce qui est interdit dans le monde classique”, a déclaré le Dr Alexander Kolesnikov du Oak Ridge National Laboratory, auteur principal de l’article.
“Cela signifie que les atomes d’oxygène et d’hydrogène de la molécule d’eau sont “délocalisés” et donc simultanément présents dans les six positions symétriquement équivalentes du canal au même moment. C’est un de ces phénomènes qui ne se produisent qu’en mécanique quantique et qui n’a aucun parallèle dans notre expérience quotidienne.”
L’existence de l’état tunnel de l’eau devrait aider les physiciens à mieux décrire les propriétés thermodynamiques et le comportement de l’eau dans des environnements hautement confinés, tels que la diffusion et le transport de l’eau dans les canaux des membranes cellulaires, dans les nanotubes de carbone et le long des limites des grains et aux interfaces minérales dans une foule d’environnements géologiques.
“Cette découverte devrait susciter des discussions entre les spécialistes des matériaux, de la biologie, de la géologie et de l’informatique, qui tenteront d’expliquer le mécanisme de ce phénomène et de comprendre comment il s’applique à leurs matériaux”, a déclaré le Dr Lawrence Anovitz, coauteur de l’étude et également membre du Oak Ridge National Laboratory.
“Cette découverte représente une nouvelle compréhension fondamentale du comportement de l’eau et de la façon dont elle utilise l’énergie”, a-t-il ajouté.
“Il est également intéressant de penser que ces molécules d’eau dans votre bague aigue-marine ou émeraude – variétés bleues et vertes de béryl – subissent le même effet tunnel quantique que nous avons observé dans nos expériences.”
Les expériences de diffusion de neutrons et de chimie computationnelle ont montré que, dans l’état d’effet tunnel, les molécules d’eau sont délocalisées autour d’un anneau, de sorte que la molécule d’eau prend une forme inhabituelle de double sommet.
“L’énergie cinétique moyenne des protons de l’eau, obtenue directement à partir de l’expérience neutronique, est une mesure de leur mouvement à une température proche du zéro absolu et est environ 30 % inférieure à celle de l’eau liquide ou solide “, a déclaré le Dr Kolesnikov.
“Ceci est en désaccord complet avec les modèles acceptés basés sur les énergies de ses modes vibratoires”.
