Les chercheurs de l'Université Ruhr Bochum, en Allemagne, ont mis en lumière la structure de l'eau supercritique. Dans cet état, qui existe à des températures et des pressions extrêmes, l'eau a les propriétés d'un liquide et d'un gaz en même temps. Selon une théorie, les molécules d'eau forment des grappes, dans lesquelles elles sont ensuite connectées par des liaisons hydrogène.
L'équipe basée à Bochum a désormais réfuté cette hypothèse en utilisant une combinaison de spectroscopie de térahertz et de simulations de dynamique moléculaire. Les résultats sont publiés dans la revue Avancées scientifiques.
Les expérimentateurs du Dr Katja Mauseshagen, le Dr Gerhard Schwaab et le professeur Martina Havenith de la présidente de la chimie physique II ont collaboré avec le Dr Philipp Schienbein et le professeur Dominik Marx de la présidente de la chimie théorique.
L'eau supercritique d'intérêt comme solvant
L'eau supercritique se produit naturellement sur Terre, par exemple dans la mer profonde, où les fumeurs noirs – un type d'évent hydrothermal – créent des conditions difficiles sur le fond marin. Le seuil de l'état supercritique est atteint à 374 degrés Celsius et une pression de 221 bar.
« Comprendre la structure de l'eau supercritique pourrait nous aider à faire la lumière sur les processus chimiques à proximité des fumeurs noirs », explique Marx, se référant à un article récent publié par son groupe de recherche sur ce sujet. « En raison de ses propriétés uniques, l'eau supercritique est également intéressante en tant que solvant« vert »pour les réactions chimiques; c'est parce qu'elle est respectueuse de l'environnement et en même temps, très réactive. »
Afin d'améliorer la convivialité de l'eau supercritique, il est nécessaire de comprendre les processus à l'intérieur plus en détail. L'équipe de Havenith a utilisé la spectroscopie Terahertz à cet effet. Alors que d'autres méthodes de spectroscopie peuvent être utilisées pour étudier les liaisons H dans une molécule, la spectroscopie de térahertz sonde sensiblement la liaison hydrogène entre les molécules – et permettrait ainsi aux chercheurs de détecter la formation de grappes dans l'eau supercritique, s'il y en a.
Mesurer les cellules sous pression
« Dans les essais expérimentaux, l'application de cette méthode à l'eau supercritique était un énorme défi », explique Havenith. « Nous avons besoin de dix diamètres plus grands pour nos cellules à haute pression pour la spectroscopie Terahertz que dans toute autre plage spectrale parce que nous travaillons avec des longueurs d'onde plus longues. »
Tout en travaillant sur sa thèse de doctorat, Katja Mauseshagen a passé d'innombrables heures à concevoir et à construire une nouvelle cellule appropriée et à l'optimiser afin qu'elle puisse résister à la pression et à la température extrêmes malgré sa taille.
Finalement, les expérimentateurs ont réussi à enregistrer des données de l'eau qui allaient entrer dans l'état supercritique, ainsi que de l'état supercritique lui-même. Alors que les spectres térahertz de l'eau liquide et gazeux diffèrent considérablement, les spectres de l'eau supercritique et de l'état gazeux semblaient pratiquement identiques. Cela prouve que les molécules d'eau forment tout aussi peu de liaisons hydrogène à l'état supercritique que dans l'état gazeux.
« Cela signifie qu'il n'y a pas de grappes moléculaires dans l'eau supercritique », conclut Schwaab.
Schienbein, membre de l'équipe de Marx qui a calculé les processus dans l'eau supercritique en utilisant des simulations de dynamique moléculaire complexe ab initio dans le cadre de sa thèse de doctorat, est arrivée à la même conclusion. Tout comme dans l'expérience, plusieurs obstacles ont dû être surmontés en premier, comme la détermination de la position précise du point critique de l'eau dans le laboratoire virtuel.
Les simulations ab initio ont finalement montré que deux molécules d'eau à l'état supercritique ne restent proches les unes des autres que pendant une courte période avant de se séparer. Contrairement à une liaison hydrogène, les liaisons entre l'hydrogène et les atomes d'oxygène n'ont pas d'orientation préférée – qui est une propriété clé des liaisons hydrogène. La direction de la liaison hydrogène-oxygène tourne en permanence.
« Les liaisons qui existent dans cet état sont extrêmement de courte durée: cent fois plus courtes qu'une liaison hydrogène dans l'eau liquide », souligne Schienbein.
Les résultats des simulations correspondaient parfaitement aux données expérimentales, fournissant une image moléculaire détaillée de la dynamique structurelle de l'eau à l'état supercritique.
