Une équipe internationale de physiciens expérimentaux des États-Unis et de Suède a réalisé la première observation directe de la façon dont les atomes d’hydrogène des molécules d’eau tirent et poussent les molécules voisines lorsqu’elles sont excitées par une lumière laser.
Yang et al. ont fait la première observation directe du mouvement atomique dans les molécules d’eau liquide qui ont été excitées avec de la lumière laser. Crédit image : Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory.
Chaque molécule d’eau contient un atome d’oxygène et deux atomes d’hydrogène, et un réseau de liaisons hydrogène entre les atomes d’hydrogène chargés positivement d’une molécule et les atomes d’oxygène chargés négativement des molécules voisines les maintient ensemble.
Ce réseau complexe est la force motrice de nombreuses propriétés inexplicables de l’eau, mais jusqu’à récemment, les physiciens étaient incapables d’observer directement comment une molécule d’eau interagit avec ses voisines.
“La faible masse des atomes d’hydrogène accentue leur comportement d’onde quantique”, a déclaré le Dr Kelly Gaffney, physicien au Stanford Pulse Institute du SLAC National Accelerator Laboratory.
“Cette étude est la première à démontrer directement que la réponse du réseau de liaisons hydrogène à une impulsion d’énergie dépend de manière critique de la nature mécanique quantique de la façon dont les atomes d’hydrogène sont espacés, ce qui a longtemps été suggéré comme étant responsable des attributs uniques de l’eau et de son réseau de liaisons hydrogène.”
Jusqu’à présent, il était difficile de faire cette observation, car les mouvements des liaisons hydrogène sont si petits et si rapides.
La nouvelle expérience a surmonté ce problème en utilisant le MeV-UED de SLAC, une “caméra électronique” à grande vitesse qui détecte les mouvements moléculaires subtils en diffusant un puissant faisceau d’électrons sur des échantillons.
Les auteurs ont créé des jets d’eau liquide de 100 nm d’épaisseur et ont fait vibrer les molécules d’eau avec une lumière laser infrarouge.
Ils ont ensuite fait exploser les molécules avec de courtes impulsions d’électrons à haute énergie provenant du MeV-UED. Cela a généré des instantanés à haute résolution de la structure atomique changeante des molécules, qu’ils ont assemblés en un film d’arrêt sur la façon dont le réseau de molécules d’eau a réagi à la lumière.
Les instantanés, qui se concentrent sur des groupes de trois molécules d’eau, révèlent que lorsqu’une molécule d’eau excitée commence à vibrer, son atome d’hydrogène rapproche les atomes d’oxygène des molécules d’eau voisines avant de les repousser avec sa nouvelle force, élargissant ainsi l’espace entre les molécules.
“Bien que l’on ait supposé que l’effet quantique nucléaire était au cœur de nombreuses propriétés étranges de l’eau, cette expérience marque la première fois qu’il a été observé directement”, a déclaré le professeur Anders Nilsson, chercheur à l’université de Stockholm.
“Depuis longtemps, les chercheurs essaient de comprendre le réseau de liaisons hydrogène en utilisant des techniques de spectroscopie”, a déclaré le professeur Jie Yang, chercheur à l’université de Tsinghua.
“La beauté de cette expérience est que, pour la première fois, nous avons pu observer directement comment ces molécules se déplacent.”
Les résultats sont publiés aujourd’hui dans la revue Nature.
