Dans la nature, le comportement des systèmes – que ce soit grand ou petit – est toujours régi par quelques principes fondamentaux. Par exemple, les objets tombent vers le bas car il minimise leur énergie. Dans le même temps, l'ordre et les troubles sont des variables clés qui façonnent également les processus physiques. Les systèmes – en particulier nos maisons – ont tendance à devenir de plus en plus désordonnés au fil du temps. Même au niveau microscopique, les systèmes ont tendance à favoriser l'augmentation des troubles, un phénomène connu sous le nom d'augmentation de l'entropie dite.
Ces deux variables – énergie et entropie – jouent un rôle important dans les processus chimiques. Les processus se produisent automatiquement lorsque l'énergie peut être réduite ou que l'entropie (trouble) augmente.
Dans des conditions standard, comme dans un verre d'eau – l'autodissociation de l'eau est entravée par les deux facteurs, ce qui en fait un événement très improbable. Cependant, lorsque de solides champs électriques sont appliqués, le processus peut être considérablement accéléré.
Maintenant, les chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche en polymères et du département de chimie de Yusuf Hamied de l'Université de Cambridge ont découvert un mécanisme surprenant qui régit l'autodissociation de l'eau dans des domaines aussi intenses.
Leurs résultats, publiés dans le Journal de l'American Chemical Societydéfier l'opinion traditionnelle que cette réaction est principalement motivée par les considérations énergétiques.
« L'autodissociation de l'eau a été largement étudiée dans des conditions en vrac, où il est compris comme énergiquement en montée et entravé », explique Yair Litman, chef de groupe au Max Planck Institute. « Mais sous les champs électriques puissants typiques des environnements électrochimiques, la réaction se comporte très différemment. »
En utilisant des simulations avancées de dynamique moléculaire, Litman et le co-auteur Angelos Michaelides montrent que les champs forts améliorent considérablement la dissociation de l'eau – pas en rendant la réaction plus favorable énergétiquement, mais en la rendant avec entropiement favorable. Le champ électrique commande initialement des molécules d'eau dans un réseau hautement structuré. Lorsque les ions se forment, ils perturbent cet ordre, augmentant l'entropie du système – ou le trouble – ce qui fait finalement la réaction vers l'avant.
« C'est un renversement complet de ce qui se passe à Zero Field », explique Litman. « Au lieu de résister à l'entropie de la réaction, il le favorise maintenant. »
L'étude montre également que dans des champs électriques solides, le pH de l'eau peut passer du neutre (7) à des niveaux très acides (aussi bas que 3), avec des implications sur la façon dont nous comprenons et concevons les systèmes électrochimiques.
« Ces résultats indiquent un nouveau paradigme », explique Michaelide. « Pour comprendre et améliorer les dispositifs de transport d'eau, nous devons considérer non seulement l'énergie, mais l'entropie – et comment les champs électriques remodeler le paysage moléculaire de l'eau. »
La recherche met en évidence la nécessité de repenser la façon dont la réactivité est modélisée dans des environnements aqueux sous biais et ouvre de nouvelles possibilités de conception du catalyseur, en particulier dans les réactions électrochimiques et « sur l'eau ».
