Une percée par les chercheurs de l'Université de Manchester met en lumière l'une des forces les plus insaisissables de la nature, avec des implications à grande envergure pour la médecine, l'énergie, la modélisation du climat et plus encore. Les chercheurs ont développé une méthode pour mesurer précisément la force des liaisons hydrogène dans les systèmes d'eau confinés, une avance qui pourrait transformer notre compréhension du rôle de l'eau dans la biologie, la science des matériaux et la technologie.
L'œuvre, publiée dans Communications de la natureintroduit une façon fondamentalement nouvelle de penser à l'une des interactions les plus importantes mais difficiles à quantifier.
Les liaisons hydrogène sont les forces invisibles qui maintiennent ensemble les molécules d'eau, donnant à l'eau ses propriétés uniques, du point d'ébullition élevé à la tension de surface et permettant des fonctions biologiques critiques telles que le repliement des protéines et la structure de l'ADN. Pourtant, malgré leur signification, la quantification des liaisons hydrogène dans des environnements complexes ou confinés a longtemps été un défi.
« Pendant des décennies, les scientifiques ont eu du mal à mesurer la force de la liaison hydrogène avec précision », a déclaré le professeur Artem Mishchenko, qui a dirigé l'étude avec le Dr Qian Yang et le Dr Ziwei Wang. « Notre approche recadre les liaisons hydrogène comme interactions électrostatiques entre les dipôles et un champ électrique, ce qui nous permet de calculer leur résistance directement à partir des données spectroscopiques. »
L'équipe a utilisé du gypse (Caso₄ · 2H₂o), un minéral naturel qui contient des couches bidimensionnelles d'eau cristalline, comme système modèle. En appliquant des champs électriques externes aux molécules d'eau piégées entre les couches du minéral et en suivant leur réponse vibratoire en utilisant une spectroscopie à haute résolution, les chercheurs ont pu quantifier une liaison hydrogène avec une précision sans précédent.
« Ce qui est le plus excitant, c'est le pouvoir prédictif de cette technique », a déclaré le Dr Yang. « Avec une mesure spectroscopique simple, nous pouvons prédire comment l'eau se comporte dans des environnements confinés qui étaient auparavant difficiles à sonder, ce qui nécessite normalement des simulations complexes ou reste entièrement inaccessible. »
Les implications sont larges et convaincantes. Dans la purification de l'eau, cette méthode pourrait aider les ingénieurs à affiner les matériaux de la membrane pour optimiser la liaison hydrogène, l'amélioration du débit d'eau et de la sélectivité tout en réduisant les coûts énergétiques.
Dans le développement de médicaments, il offre un moyen de prédire comment l'eau se lie aux molécules et à leurs cibles, accélérant potentiellement la conception de médicaments plus solubles et efficaces. Il pourrait améliorer les modèles climatiques en permettant des simulations plus précises des transitions de phase de l'eau dans les nuages et l'atmosphère.
Dans le stockage d'énergie, la découverte jette les fondements des «hétérostructures de liaisons hydrogène», des matériaux d'ingénierie avec une liaison hydrogène sur mesure qui pourraient augmenter considérablement les performances de la batterie. Et dans la biomédecine, les résultats pourraient aider à créer des capteurs implantables avec une meilleure compatibilité et une durée de vie plus longue en contrôlant avec précision les interactions d'eau-surface.
« Notre travail fournit un cadre pour comprendre et manipuler la liaison hydrogène d'une manière qui n'était pas possible auparavant », a déclaré le Dr Wang, premier auteur du journal. « Il ouvre la porte à la conception de nouveaux matériaux et technologies, de meilleurs catalyseurs aux membranes plus intelligentes, basées sur la physique cachée de l'eau. »
