Plus de 70% de la terre est recouverte d'eau – H2O. Une proportion presque négligeable de quelques-unes par million consiste en «eau lourde», dans laquelle les atomes d'hydrogène (H) sont remplacés par des atomes de deutérium (D). Le deutérium a un neutron de plus dans son noyau que l'hydrogène et pèse environ deux fois plus.
On pourrait donc s'attendre à ce que l'eau lourde, dans laquelle deux atomes qui sont deux fois plus lourds soient liés à l'atome d'oxygène, différerait considérablement par ses propriétés de l'eau normale. En fait, cependant, les températures de congélation des deux types d'eau ne diffèrent que de 4 ° C.
Les chercheurs du Max Planck Institute for Polymer Research affiliés au directeur Mischa Bonn ont maintenant pu montrer pour la première fois que deux effets mécaniques quantiques spéciaux – les effets quantiques nucléaires (NQE) – qui se compensent mutuellement, en sont responsables.
La mécanique quantique dicte que les atomes continuent de se déplacer même à zéro absolu, c'est-à-dire à -273 ° C: ils «oscillent» ou «tremblent» légèrement autour d'une position centrale. Ceci est appelé «énergie zéro-point». Les atomes d'hydrogène dans l'eau normale ne sont donc pas à une distance définie et fixe de l'atome d'oxygène mais dans un certain «nuage», qui s'étend sur une distance moyenne. Parce que l'hydrogène est un atome de masse si faible, ces nuages d'hydrogène sont grands, les NQE sont prononcés et la vibration a une grande amplitude.
Si l'hydrogène est remplacé par le deutérium plus lourd, les atomes vibrent moins. La distance moyenne devient plus petite, ce qui signifie que l'atome de deutérium se rapproche de l'atome d'oxygène. En raison de cet effet dite intramoléculaire, l'expansion spatiale d'une molécule d'eau est réduite. Simultanément, la distance à la molécule d'eau suivante augmente, ce qui réduit l'énergie de liaison.
L'énergie de liaison est une mesure de la facilité avec laquelle deux molécules d'eau peuvent être séparées les unes des autres, par exemple pendant la transition de la glace à l'eau liquide.
Dans le même temps, cependant, l'atome du deutérium peut osciller non seulement dans la direction de la liaison de l'atome d'oxygène, mais aussi perpendiculaire. Lors de l'échange d'hydrogène contre le deutérium, cet effet dite intermoléculaire contrecarre l'effet intramoléculaire: alors que l'une réduit l'énergie de liaison, l'autre augmente l'énergie de liaison dans une mesure comparable.
Les températures de congélation ne diffèrent que légèrement parce que les deux effets mécaniques quantiques ont des effets opposés sur l'énergie de liaison et se compensent approximativement.
Pour mesurer ces effets subtils, les chercheurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie de génération de fréquences de somme détectée par hétérodyne (HD-SFG). Cette méthode leur a permis d'étudier la couche d'eau la plus élevée à une interface aérienne, où les molécules d'eau existent avec une extrémité « libre » qui n'est pas attachée à d'autres molécules d'eau. En analysant soigneusement les spectres vibrationnels de l'eau avec différentes proportions d'hydrogène et de deutérium, les scientifiques ont pu déduire et quantifier les composants énergétiques inter et intramoléculaires individuels.
L'œuvre, maintenant publiée dans la revue Avancées scientifiquesfournit les premières preuves expérimentales de la compétition, et une annulation presque complète, entre les effets quantiques intramoléculaires et intermoléculaires dans l'eau, qui n'a longtemps été prédit que théoriquement. Il met en évidence l'importance de considérer ces phénomènes quantiques lorsque vous essayez de comprendre le comportement de l'eau.
Cela a des implications pour des domaines allant de la recherche climatique à la biochimie, où les propriétés de l'eau jouent un rôle crucial. En outre, l'approche innovante de l'équipe ouvre de nouvelles voies pour étudier les effets quantiques dans d'autres systèmes complexes.
