Jusqu’au niveau cellulaire, la vie a besoin d’eau pour survivre.
Prédire la manière dont l’eau liquide se fraie un chemin à travers les canalisations à l’échelle moléculaire nécessite un niveau de simulation qui met actuellement à rude épreuve même les ordinateurs les plus puissants.
Des chercheurs américains se sont alors tournés vers l’apprentissage automatique pour comprendre comment les propriétés électriques de l’eau changent lorsqu’elle est emprisonnée dans des cylindres de la taille d’un nanomètre constitués de carbone pur.
Ne vous laissez pas tromper par l’apparente simplicité de l’eau. À l’intérieur de chaque molécule, il y a un seul oxygène qui maltraite ses acolytes hydrogènes pendant plus que sa juste part du temps électronique, créant un déséquilibre de charge appelé dipôle.
Ce déséquilibre confère à l’eau son mélange de propriétés inhabituelles, lui permettant de se coller de manière lâche de manière à créer une tension superficielle, ou de s’étaler dans une grande variété de formations lorsqu’elle gèle en glace.
Illustration informatique d’un nanotube de carbone. (Bibliothèque de photos scientifiques/Canva Pro)
Emballées dans un nanotube de carbone hydrophobe qu’un virus de jardin pourrait considérer comme ayant la taille parfaite pour une tasse à café, les molécules d’eau stimulent les interactions avec un champ électrique grâce à leur confinement.
On ne sait pas exactement comment et pourquoi cela se produit.
« Il est nécessaire de comprendre la capacité du liquide confiné à filtrer les champs électriques et comment cela varie par rapport à l’environnement global », dit auteur principal Marcos Calegari Andrade, scientifique des matériaux au Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL).
« Une meilleure compréhension de la réponse diélectrique de l’eau confinée est importante non seulement pour faire progresser les technologies de séparation, mais aussi pour d’autres applications émergentes, telles que le stockage et la conversion d’énergie. »
L’effet diélectrique décrit la façon dont des matériaux tels que l’eau réagissent aux champs électriques. Lorsque des matériaux conducteurs tels que des fils de cuivre transfèrent des charges électriques sous forme de courant, les composants chargés des matériaux diélectriques pivotent pour s’aligner de manière à alimenter le champ électrique plus large.
L’emballage de molécules d’eau dans des nanotubes de carbone d’un diamètre inférieur à 10 nanomètres a a révélé de nouvelles phases de l’eau dans le passé et été montré pour faciliter un transfert de protons beaucoup plus rapide le long des chaînes unidimensionnelles de molécules d’eau.
Élargissement de la taille des pores a également fait allusion à la formation de structures de glace qui ne seraient pas visibles dans des étendues d’eau plus grandes.
Il est toutefois plus facile de dire qu’il est possible d’appliquer un cadre théorique pour expliquer ces résultats expérimentaux. Il est possible de dresser un tableau relativement complet du comportement moléculaire en élaborant des simulations à partir des premiers principes, mais seulement pour quelques centaines d’atomes sur des échelles de temps d’une infime fraction de seconde.
Pour déterminer les constantes diélectriques circulant dans d’autres directions à travers la chambre, les chercheurs ont appliqué des principes fondamentaux à un processus d’apprentissage automatique. Cela a permis d’obtenir une image plus complète qui comprenait des effets quantiques pour calculer l’énergie potentielle et décrire l’oscillation des molécules individuelles.
Illustration d’une phase exotique de l’eau piégée dans un minuscule nanotube de carbone, où elle interagit de manière surprenante avec les champs électriques.Ella Maru Studio)
Leur approche a révélé une structure électronique qui n’aurait pas été apparente dans des simulations conventionnelles, une structure qui se construit parallèlement aux parois du tube et qui descend le long de l’axe de la colonne d’eau.
Dans leur simulation, la constante diélectrique sur l’axe des nanotubes de carbone a augmenté à mesure que le diamètre des tubes diminuait. Elle a culminé à 0,79 nanomètre, où les molécules d’eau sont obligées de s’aligner en file indienne.
Cartographier l’amélioration de l’effet diélectrique de l’eau à ces petites échelles pourrait fournir aux biologistes moléculaires des indices essentiels sur le flux d’eau et d’autres matériaux à travers de minuscules canaux cellulaires, ou aider les chercheurs à adapter des produits pharmaceutiques qui pourraient fonctionner plus efficacement dans des solutions confinées dans de petits espaces.
« Des études fondamentales sur l’effet de confinement sur la constante diélectrique de l’eau sont utiles pour comprendre et améliorer les technologies actuelles », dit Anh Pham, scientifique en matériaux informatiques au LLNL.
Cette recherche a été publiée dans Le Journal des Lettres de Chimie Physique.
2024-08-05 00:05:23
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