Les surfaces d’énergie potentielle de l’eau cartographiées pour la première fois

L’eau est certainement le liquide le plus connu au monde. Il joue un rôle crucial dans tous les processus biologiques et dans de nombreux processus chimiques. Les molécules d’eau elles-mêmes n’ont guère de secrets. À l’école, nous apprenons que l’eau se compose d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Nous connaissons même l’angle obtus typique que les deux jambes OH forment l’une avec l’autre. De plus, nous savons quand l’eau bout ou gèle et comment ces transitions de phase sont liées à la pression.

Mais entre les faits sur les molécules individuelles et une compréhension plus approfondie des phénomènes macroscopiques, il existe une large zone d’incertitude : seules des informations statistiques sont connues sur le comportement des molécules individuelles dans l’eau liquide normale. Les molécules d’eau en phase liquide forment un réseau fluctuant de liaisons hydrogène, désordonnées et denses, et leurs interactions ne sont pas du tout aussi bien comprises qu’à l’état gazeux.

Eau liquide pure examinée

Maintenant, une équipe dirigée par la physicienne du HZB, le Dr Annette Pietzsch, a examiné de plus près l’eau liquide pure à température ambiante et à pression normale. À l’aide d’une analyse par rayons X à la source lumineuse suisse de l’Institut Paul Scherrer et d’une modélisation statistique, les scientifiques ont réussi à cartographier les surfaces dites d’énergie potentielle des molécules d’eau individuelles à l’état fondamental, qui se présentent sous une grande variété de formes en fonction de leur environnement.

Oscillations et vibrations mesurées

« La particularité ici est la méthode : nous avons étudié les molécules d’eau sur la ligne de lumière ADRESS à l’aide de la diffusion inélastique résonnante des rayons X. En termes simples, nous avons poussé les molécules individuelles très soigneusement, puis nous avons mesuré comment elles retombaient dans l’état fondamental », explique Pietzsch. . Les excitations à faible énergie ont entraîné des oscillations d’étirement et d’autres vibrations qui, combinées aux calculs du modèle, ont produit une image détaillée des surfaces potentielles.

« Cela nous donne une méthode pour déterminer expérimentalement l’énergie d’une molécule en fonction de sa structure », explique Pietzsch. « Les résultats aident à éclairer la chimie de l’eau, par exemple pour mieux comprendre comment l’eau se comporte en tant que solvant. »

Les résultats ont été publiés dans Actes de l’Académie nationale des sciences.

Perspectives : METRIXS à BESSY II

Les prochaines expériences sont déjà prévues à la source de rayons X BESSY II à HZB. Là, Annette Pietzsch et son équipe ont installé la station de mesure METRIXS, qui est conçue précisément pour étudier des échantillons liquides avec des expériences RIXS. « Après l’arrêt estival dû aux travaux de maintenance sur BESSY II, nous allons commencer les premiers tests de nos instruments. Et ensuite nous pourrons passer à autre chose. »