L’eau dans une couche d’une molécule ne se comporte ni comme un liquide ni comme un solide et devient hautement conductrice à des pressions élevées, selon un nouvel article publié dans le journal “L’eau”. Nature.
Kapil et al. décrire le comportement de phase de l’eau confinée en monocouche en calculant son diagramme de phase pression-température : (a-g) le diagramme de phase pression-température de l’eau monocouche a été calculé à l’aide d’un potentiel d’apprentissage automatique qui offre une précision de premier principe ; les lignes pleines et pointillées indiquent les transitions de phase de premier ordre et continue, respectivement ; les régions grises indiquent l’incertitude statistique pour les transitions de phase solide-solide et, pour les autres transitions, les incertitudes découlant de l’étude d’un nombre fini d’états thermodynamiques ; la zone hachurée en diagonale indique la région dans laquelle les phases carrée et rhombique plate sont presque dégénérées ; les diagrammes des phases hexagonale (a), pentagonale (b), carrée (c), rhombique plate (d), hexatique (e), superionique (f) et liquide (g) sont représentés avec les atomes d’oxygène en rouge, les atomes d’hydrogène en gris et les liaisons hydrogène représentées par des lignes bleues. Crédit image : Kapil et al., doi : 10.1038/s41586-022-05036-x.
L’eau piégée entre les membranes ou dans de minuscules cavités à l’échelle nanométrique est courante. On la trouve dans tout, des membranes de notre corps aux formations géologiques.
Mais cette eau confinée dans une monocouche se comporte très différemment de l’eau que nous buvons.
Jusqu’à présent, les difficultés liées à la caractérisation expérimentale des phases de l’eau à l’échelle nanométrique ont empêché une compréhension complète de son comportement.
Dans cette nouvelle étude, Venkat Kapil, chercheur à l’Université de Cambridge, et ses collègues ont entrepris de prédire le diagramme de phase d’une couche d’eau d’une molécule d’épaisseur avec une précision sans précédent.
Ils ont utilisé une combinaison d’approches informatiques pour permettre l’étude au niveau des premiers principes d’une seule couche d’eau.
Ils ont découvert que l’eau qui est confinée dans une couche d’une molécule d’épaisseur passe par plusieurs phases, y compris une phase ‘hexatique’ et une phase ‘superionique’.
Dans la phase hexatique, l’eau ne se comporte ni comme un solide ni comme un liquide, mais comme quelque chose entre les deux.
Dans la phase superionique, qui se produit à des pressions plus élevées, l’eau devient hautement conductrice, propulsant rapidement les protons à travers la glace d’une manière qui ressemble au flux d’électrons dans un conducteur.
“Pour tous ces domaines, la compréhension du comportement de l’eau est la question fondamentale”, a déclaré le Dr Kapil.
“Notre approche permet l’étude d’une seule couche d’eau dans un canal de type graphène avec une précision prédictive sans précédent.”
Les chercheurs ont découvert que la couche d’eau d’une molécule d’épaisseur dans le nanocanal présentait un comportement de phase riche et diversifié.
Leur approche prédit plusieurs phases, dont la phase hexatique – un intermédiaire entre un solide et un liquide – et également une phase superionique, dans laquelle l’eau présente une conductivité électrique élevée.
“La phase hexatique n’est ni un solide ni un liquide, mais un intermédiaire, ce qui correspond aux théories précédentes sur les matériaux 2D”, a déclaré le Dr Kapil.
“Notre approche suggère également que cette phase peut être observée expérimentalement en confinant l’eau dans un canal de graphène.”
“L’existence de la phase superionique dans des conditions facilement accessibles est particulière, car cette phase se trouve généralement dans des conditions extrêmes comme le noyau d’Uranus et de Neptune.”
“Une façon de visualiser cette phase est que les atomes d’oxygène forment un réseau solide, et que les protons s’écoulent comme un liquide à travers le réseau, comme des enfants qui courent dans un…labyrinthe.”
“Cette phase superionique pourrait être importante pour les futurs matériaux d’électrolyte et de batterie, car elle présente une conductivité électrique 100 à 1 000 fois supérieure à celle des matériaux de batterie actuels.”
“Les résultats aideront non seulement à comprendre le fonctionnement de l’eau à l’échelle nanométrique, mais suggèrent également que le ‘nanoconfinement’ pourrait être une nouvelle voie pour trouver le comportement superionique d’autres matériaux.”