Dans les solutions d’eau salée, les molécules d’eau se déplacent rapidement autour des ions de sel à une échelle de plus d’un billion de fois par seconde, selon des expériences et des simulations menées par des scientifiques de l’Université de New York et de la Sorbonne.
« Il y a plus dans les solutions salines qu’il n’y paraît », a déclaré Alexej Jerschow, professeur au département de chimie de l’Université de New York et l’un des principaux auteurs de l’étude. « Cela était évident lorsque nous avons mesuré et modélisé la dynamique très rapide des ions de chlorure de sodium et des molécules d’eau environnantes. »
Les conclusions, publiées dans Communication Naturepermettra aux chercheurs de construire des modèles plus fiables pour prédire la dynamique des ions, qui pourraient être utilisés pour une variété d’efforts scientifiques, de l’amélioration des batteries rechargeables aux IRM.
Les ions sont omniprésents et essentiels à la vie. De nombreux ions, tels que le sodium et le potassium, sont omniprésents dans le corps humain et dictent la viabilité cellulaire, la signalisation nerveuse et l’intégrité structurelle des tissus. La façon dont les ions interagissent avec les solvants joue également un rôle critique ; par exemple, les batteries rechargeables reposent sur le mouvement des ions à travers des solutions électrolytiques.
Les ions dans une solution à base d’eau sont généralement entourés de quatre à six molécules d’eau, mais on ne comprend pas bien dans quelle mesure ces molécules se déplacent en tant qu’unité et combien de mouvement les molécules d’eau subissent. Les modèles utilisés précédemment n’ont pas réussi à capturer le mouvement concerté entre l’eau et les ions.
Pour étudier le mouvement des molécules de sel et d’eau, les chercheurs ont utilisé la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN), un outil polyvalent couramment utilisé pour déterminer la structure des molécules, et ont combiné les données expérimentales avec des simulations informatiques détaillées qui peuvent modéliser la dynamique autour ions de sel à l’échelle atomique.
En testant l’eau salée sur une large gamme de concentrations et de températures, et en combinant des données expérimentales et des simulations informatiques, les chercheurs ont observé que les molécules d’eau se tortillaient autour des ions sodium et chlorure à un rythme extrêmement rapide – plus d’un billion de fois par seconde. De plus, on supposait auparavant que les ions se déplaçaient avec les molécules de solvant environnantes en tant qu’unité, mais l’expérience a montré que ce n’était pas le cas; au lieu de cela, les molécules d’eau se tortillent beaucoup plus rapidement que le complexe ion-eau.
« Nous avons trouvé un excellent accord entre l’expérience et les simulations, ce qui nous permet de construire des modèles fiables pour la dynamique des ions », a déclaré Jerschow.
« Nous nous tournons maintenant vers des électrolytes plus complexes et vers ce qui se passe près des surfaces solides, et combiner les expériences avec des simulations sera à nouveau essentiel pour progresser », a déclaré Benjamin Rotenberg de Sorbonne Université et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et l’autre auteur principal de l’étude.
« Nous prévoyons que ce travail peut fournir des informations dans de nombreux domaines, de la médecine au stockage d’énergie, qui s’appuient sur une bonne compréhension de la dynamique des ions en solution », a ajouté Jerschow.
Plus d’information:
Iurii Chubak et al, Relaxation RMN quadripolaire 23Na + comme sonde de la dynamique collective subpicoseconde dans les solutions aqueuses d’électrolytes, Communication Nature (2023). DOI : 10.1038/s41467-022-35695-3