Des simulations complexes – les plus élaborées de leur genre à ce jour – révèlent comment l’eau régit la façon dont les protons s’y déplacent. Elles ont été menées par une équipe internationale de chercheurs dirigée par des scientifiques de l’Institut de chimie physique de l’université de Heidelberg. Grâce à leur modélisation, les chercheurs de Cambridge (Royaume-Uni), de Bochum, de Dijon (France) et de Heidelberg ont pu retracer dans les moindres détails quantiques les mouvements d’un proton partagé entre six molécules d’eau. Au cœur de ces travaux : comprendre comment un proton se déplace dans l’eau, non pas comme une particule qui dérive, mais en « sautant » d’une molécule à l’autre.
Ce mouvement de « saut » est connu depuis le XIXe siècle. Lorsqu’un acide se dissout dans l’eau, le proton libéré – un ion hydrogène chargé positivement – ne reste pas lié à une seule molécule d’eau. Il est très mobile et saute constamment d’une molécule à l’autre. Ce mécanisme dit de Grotthuss, à la base du transport des protons dans l’eau, est notamment responsable de l’acidité de l’eau et joue un rôle crucial dans le stockage de l’énergie dans les batteries et la transmission des signaux dans les cellules vivantes. En raison de la complexité de ces mouvements protoniques ultrarapides, ils sont réputés très difficiles à élucider et, malgré des recherches intensives, la dynamique fondamentale des protons dans l’eau reste un sujet de débat.
Comme l’explique le professeur Oriol Vendrell de l’Institut de chimie physique de l’université de Heidelberg, les protons hydratés ont jusqu’ici été représentés à l’aide de deux structures idéalisées : les cations de Zundel et les cations d’Eigen. Chacune suppose un nombre différent de molécules d’eau auxquelles le proton se lie. Dans une structure de Zundel, le proton est partagé également entre deux molécules ; dans une structure d’Eigen, il se lie à une seule molécule, formant un cœur hydronium lui-même relié à trois autres molécules d’eau. « Cependant, des études récentes de spectroscopie infrarouge révèlent un état bien plus dynamique, situé entre ces deux extrêmes », explique le docteur David Mendive-Tapia, chercheur postdoctoral dans l’équipe du professeur Vendrell.
Pour ces travaux, les scientifiques ont simulé un complexe de Zundel étendu comprenant six molécules d’eau. Ils ont modifié continuellement le système modèle en retirant des molécules, ce qui l’a fait passer d’une structure de Zundel symétrique à une structure d’Eigen asymétrique. Grâce à ces simulations, ils sont parvenus à suivre, avec une résolution quantique complète, les mouvements couplés du proton hydraté et des molécules d’eau environnantes. Ces mouvements représentent 51 vibrations entremêlées ; en les suivant tous simultanément, l’équipe de recherche a pu calculer le spectre infrarouge complet et reproduire les mesures expérimentales sur toute leur étendue.
Selon le professeur Dominik Marx de l’université de la Ruhr à Bochum, un ingrédient décisif a été une description exceptionnellement précise des forces entre les atomes. Au lieu des approximations habituelles, les chercheurs ont capturé ces forces grâce à un réseau de neurones artificiel, entraîné à Bochum sur des données de chimie quantique de haut niveau. Ce modèle d’apprentissage automatique leur a permis de suivre le mouvement quantique du proton avec une précision sans précédent et sans aucun paramètre ajustable.
« Nos simulations montrent que la configuration des molécules d’eau environnantes est le facteur clé qui détermine la façon dont les protons se déplacent en solution aqueuse. L’empreinte infrarouge du proton hydraté, et en définitive son saut caractéristique, est avant tout gouvernée par les asymétries locales de son environnement », souligne Oriol Vendrell. Selon les scientifiques, ces derniers résultats élargissent la compréhension actuelle de la manière dont l’eau façonne le déplacement des protons.
Outre les chercheurs de Heidelberg et de Bochum, des scientifiques de l’université de Cambridge (Royaume-Uni) et de l’Université Bourgogne Europe à Dijon (France) ont joué un rôle clé dans ces travaux. La Fondation allemande pour la recherche et la Royal Society ont toutes deux financé l’étude. Les résultats ont été publiés dans la revue « Nature Chemistry ».
Article : Deciphering the infrared spectrum of the hydrated proton using full-dimensional quantum dynamics – Journal : Nature Chemistry – DOI : Lien vers l’étude
Source : Heidelberg U.
