Une nouvelle sonde révèle des microstructures de glace d’eau

On pense que la glace a joué un rôle crucial dans l’émergence de la vie. L’une des raisons est que les molécules organiques peuvent être exclues dans les interstices du réseau cristallin par des molécules d’eau disposées de manière ordonnée, ce qui conduit à la concentration de composés organiques.

Cependant, les méthodes actuelles d’étude des molécules organiques dans la glace, telles que la spectroscopie Raman et infrarouge, se limitent principalement aux techniques spectroscopiques basées sur l’absorption, ce qui limite la sensibilité des mesures.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Zhang Guoqing, le professeur Liu Shiyong, le professeur Zhou Xiaoguo et le chercheur Zhang Xuepeng de l’Université des sciences et technologies de Chine (USTC) a développé une méthode de détection des microstructures de glace d’eau utilisant des sondes phosphorescentes organiques et la spectroscopie de phosphorescence. Leur travail est publié dans Chimie appliquée Édition internationale.

L’équipe a proposé une méthode basée sur l’émission pour étudier les molécules organiques dans la glace d’eau. Ils ont utilisé l’état d’hydratation d’une sonde phosphorescente, l’iodure d’acridinium (ADI), pour indiquer les changements microstructuraux de la glace d’eau (c’est-à-dire cristalline ou vitreuse).

Les microstructures de la glace d’eau peuvent être considérablement influencées par une quantité infime de molécules organiques solubles dans l’eau. Plus précisément, si la glace d’eau reste amorphe à basse température, le cation AD+ et l’anion I- de la sonde ADI seront séparés par des molécules d’eau liées, présentant une phosphorescence de longue durée et une rémanence jaune verdâtre visible. Dans la glace cristalline ordonnée, les molécules de la sonde ADI s’agrègent, induisant une phosphorescence rouge de courte durée par l’effet de l’atome lourd de l’iode.

Les spectres d’émission ont révélé des changements spectroscopiques distincts dans la solution aqueuse d’ADI après l’ajout de petites molécules d’éthylène glycol (EG) et de polymères d’EG monodispersés (PDI = 1). L’ajout de traces d’EG (0,1 %) conduit à l’émergence de la bande de fluorescence autour de 480 nm, accompagnée d’une bande de phosphorescence plus intense avec des progressions vibroniques bien résolues à 555, 598 et 648 nm.

Les résultats spectraux ont indiqué que l’ajout d’EG a conduit à la transformation des molécules d’ADI dans la glace d’eau d’agrégats non dissous en états d’ions dissous.

Pour corroborer les conclusions de la spectroscopie de phosphorescence, des images obtenues par microscopie électronique à balayage à basse température (Cryo-SEM) ont montré que l’ajout de traces d’EG dans la glace d’eau contenant de l’ADI entraînait des zones locales avec des microstructures poreuses. Parallèlement, les spectres Raman à basse température (LT-Raman) ont confirmé que l’ajout de traces d’EG était suffisant pour provoquer un décalage de la vibration OH de la glace d’eau d’un état cristallin à basse fréquence à un état vitreux à haute fréquence.

Cette étude a découvert que l’ajout de traces de composés organiques moléculaires petits ou grands à l’eau peut inhiber de manière significative l’ordre cristallin de la glace d’eau en utilisant une spectroscopie de phosphorescence plus pratique et plus sensible.

De plus, la spectroscopie de phosphorescence peut également révéler des différences morphologiques dans les microstructures eau-glace lorsque des traces de composés organiques ayant des structures différentes et la même concentration sont ajoutées à l’eau, ce qui est cohérent avec la spectroscopie Raman et la microscopie électronique à balayage, offrant un nouveau moyen technique pour étudier les interactions eau-glace-composés organiques à une concentration plus faible et une plage de température plus large.