Des chercheurs ont fait la première observation directe du mouvement atomique dans des molécules d’eau liquide qui ont été excitées par la lumière laser. Leurs résultats révèlent des effets qui pourraient sous-tendre l’origine microscopique des propriétés étranges de l’eau. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Les travaux mettent en lumière le réseau de liaisons hydrogène qui confère à l’eau ses propriétés étranges, qui jouent un rôle vital dans de nombreux processus chimiques et biologiques.
L’eau est le liquide le plus abondant mais le moins compris dans la nature. Il présente de nombreux comportements étranges que les scientifiques ont encore du mal à expliquer. Alors que la plupart des liquides deviennent plus denses à mesure qu’ils refroidissent, l’eau est plus dense à 39 degrés. Fahrenheit, juste au-dessus de son point de congélation. C’est pourquoi la glace flotte au sommet d’un verre à boire et les lacs gèlent de la surface vers le bas, permettant à la vie marine de survivre aux hivers froids. L’eau a également une tension superficielle inhabituellement élevée, permettant aux insectes de marcher à sa surface, et une grande capacité de stockage de chaleur, maintenant la température de l’océan stable.
Aujourd’hui, une équipe qui comprend des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie, de l’Université de Stanford et de l’Université de Stockholm en Suède a fait la première observation directe de la façon dont les atomes d’hydrogène dans les molécules d’eau tirent et poussent les molécules d’eau voisines lorsqu’elles sont excitées avec un laser. léger. Leurs résultats, publiés dans La nature aujourd’hui (25 août 2021), révèlent des effets qui pourraient sous-tendre des aspects clés de l’origine microscopique des propriétés étranges de l’eau et pourraient conduire à une meilleure compréhension de la façon dont l’eau aide les protéines à fonctionner dans les organismes vivants.
Pour ces expériences, l’équipe de recherche (de gauche à droite : Xiaozhe Shen, Pedro Nunes, Jie Yang et Xijie Wang) a utilisé le MeV-UED du SLAC, une « caméra à électrons » à grande vitesse qui utilise un puissant faisceau d’électrons pour détecter de subtils mouvements moléculaires. en échantillons. Crédit : Dawn Harmer/SLAC National Accelerator Laboratory
“Bien que ce soi-disant effet quantique nucléaire ait été supposé être au cœur de nombreuses propriétés étranges de l’eau, cette expérience marque la première fois qu’elle est observée directement”, a déclaré le collaborateur de l’étude Anders Nilsson, professeur de physique chimique à Stockholm. Université. “La question est de savoir si cet effet quantique pourrait être le chaînon manquant dans les modèles théoriques décrivant les propriétés anormales de l’eau.”
Chaque molécule d’eau contient un oxygène atome et deux atomes d’hydrogène, et un réseau de liaisons hydrogène entre les atomes d’hydrogène chargés positivement dans une molécule et les atomes d’oxygène chargés négativement dans les molécules voisines les maintient tous ensemble. Ce réseau complexe est la force motrice derrière de nombreuses propriétés inexplicables de l’eau, mais jusqu’à récemment, les chercheurs étaient incapables d’observer directement comment une molécule d’eau interagit avec ses voisins.
“La faible masse des atomes d’hydrogène accentue leur comportement d’onde quantique”, a déclaré Kelly Gaffney, collaboratrice du Stanford Pulse Institute du SLAC. “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 son réseau de liaisons hydrogène.
Aime ton prochain
Jusqu’à présent, faire cette observation a été difficile car les mouvements des liaisons hydrogène sont si petits et rapides. Cette expérience a surmonté ce problème en utilisant le MeV-UED du SLAC, une « caméra à électrons » à grande vitesse qui détecte les mouvements moléculaires subtils en diffusant un puissant faisceau d’électrons sur les échantillons.
L’équipe de recherche a créé des jets d’eau liquide de 100 nanomètres d’épaisseur – environ 1 000 fois plus fins que la largeur d’un cheveu humain – et a fait vibrer les molécules d’eau avec une lumière laser infrarouge. Ensuite, ils ont fait exploser les molécules avec de courtes impulsions d’électrons à haute énergie de MeV-UED.
Une animation montre comment une molécule d’eau réagit après avoir été touchée par une lumière laser.. Lorsque la molécule d’eau excitée commence à vibrer, son atome d’hydrogène (blanc) tire les atomes d’oxygène (rouge) des molécules d’eau voisines plus près, avant de les repousser, élargissant le espace entre les molécules. Cette nouvelle vision d’un effet que l’on pense être à l’origine de nombreuses propriétés étranges de l’eau a été créée avec la « caméra à électrons » MeV-UED du SLAC, qui projette des échantillons avec de courtes impulsions d’électrons à haute énergie pour regarder à l’intérieur. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Cela a généré des instantanés haute résolution de la structure atomique changeante des molécules qu’elles ont enchaînées dans un film en stop-motion montrant comment le réseau de molécules d’eau a réagi à la lumière.
Les instantanés, qui se sont concentrés sur des groupes de trois molécules d’eau, ont révélé que lorsqu’une molécule d’eau excitée commence à vibrer, son atome d’hydrogène tire les atomes d’oxygène des molécules d’eau voisines plus près avant de les repousser avec sa nouvelle force, élargissant l’espace entre les molécules.
“Pendant longtemps, les chercheurs ont essayé de comprendre le réseau de liaisons hydrogène à l’aide de techniques de spectroscopie”, a déclaré Jie Yang, ancien scientifique du SLAC et maintenant professeur à l’Université Tsinghua en Chine, qui a dirigé l’étude. « La beauté de cette expérience est que, pour la première fois, nous avons pu observer directement comment ces molécules se déplacent. »
Une fenêtre sur l’eau
Les chercheurs espèrent utiliser cette méthode pour mieux comprendre la nature quantique des liaisons hydrogène et le rôle qu’elles jouent dans les propriétés étranges de l’eau, ainsi que le rôle clé que ces propriétés jouent dans de nombreux processus chimiques et biologiques.
“Cela a vraiment ouvert une nouvelle fenêtre pour étudier l’eau”, a déclaré Xijie Wang, un scientifique distingué du SLAC et collaborateur à l’étude. « Maintenant que nous pouvons enfin voir les liaisons hydrogène se déplacer, nous aimerions relier ces mouvements à une image plus large, ce qui pourrait faire la lumière sur la façon dont l’eau a conduit à l’origine et à la survie de la vie sur Terre et informer le développement de méthodes d’énergie renouvelable. . “
Référence : « Observation directe du renforcement des liaisons hydrogène ultrarapides dans l’eau liquide » par Jie Yang, Riccardo Dettori, J. Pedro F. Nunes, Nanna H. List, Elisa Biasin, Martin Centurion, Zhijiang Chen, Amy A. Cordones, Daniel P. Deponte, Tony F. Heinz, Michael E. Kozina, Kathryn Ledbetter, Ming-Fu Lin, Aaron M. Lindenberg, Mianzhen Mo, Anders Nilsson, Xiaozhe Shen, Thomas JA Wolf, Davide Donadio, Kelly J. Gaffney, Todd J. Martinez et Xijie Wang, le 25 août 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03793-9
MeV-UED est un instrument de l’installation utilisateur LCLS, exploité par le SLAC au nom du DOE Office of Science, qui a financé cette recherche.
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