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

L’eau est certainement le liquide le plus connu au monde. L’eau 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 déjà, nous apprenons que l’eau est constituée d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Nous connaissons même l’angle obtus typique que forment les deux pattes O-H entre elles.

En outre, nous savons quand l’eau bout ou gèle et comment ces transitions de phase sont liées à la pression. Mais entre les faits concernant les molécules individuelles et une compréhension plus approfondie des phénomènes macroscopiques, il existe une vaste zone d’incertitude : On ne connaît que des informations statistiques 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, désordonné et dense, et leurs interactions ne sont pas du tout aussi bien comprises qu’à l’état gazeux.

Examen de l’eau liquide pure

Une équipe dirigée par Annette Pietzsch, physicienne au HZB, a examiné de plus près l’eau liquide pure à température ambiante et à pression normale. Grâce à l’analyse des rayons X au Centre suisse de rayonnement synchrotron de l’Institut Paul Scherrer et à la modélisation statistique, les scientifiques ont réussi à cartographier les surfaces d’énergie potentielle des différentes molécules d’eau à l’état fondamental, qui se présentent sous une grande variété de formes en fonction de leur environnement.

Oscillations et vibrations mesurées

« Ce qui est particulier ici, c’est la méthode : nous avons étudié les molécules d’eau sur la ligne de faisceaux de l’ADRESS en utilisant la diffusion inélastique résonante des rayons X. En d’autres termes, nous avons poussé des molécules individuelles avec beaucoup de précaution et avons ensuite mesuré comment elles retombaient dans l’état fondamental« , explique M. Pietzsch.

Les excitations à basse énergie ont entraîné des oscillations d’étirement et d’autres vibrations qui, combinées à des calculs de modèles, ont permis d’obtenir 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 permettent d’éclairer la chimie de l’eau, par exemple pour mieux comprendre comment l’eau se comporte en tant que solvant.«

Perspectives : METRIXS à BESSY II

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