De nouvelles recherches utilisant la spectroscopie de phosphorescence montrent comment de petits composés organiques comme l'éthylène glycol perturbent la structure cristalline de la glace d'eau, offrant ainsi un aperçu des propriétés physiques et chimiques de la glace. Crédit : équipe du professeur Guoqing Zhang
De nouvelles recherches utilisant la spectroscopie de phosphorescence montrent comment de petits composés organiques comme l'éthylène glycol perturbent la structure cristalline de la glace d'eau, offrant ainsi un aperçu des propriétés physiques et chimiques de la glace.
On pense que la glace a joué un rôle crucial dans l'apparition de la vie. L'une des raisons est que des molécules organiques peuvent être incorporées dans les interstices du réseau cristallin par des molécules d'eau disposées de manière ordonnée, ce qui conduit à la concentration de composés organiques. Cependant, les méthodes actuelles d'étude des molécules organiques dans la glace, telles que la spectroscopie Raman et infrarouge, se limitent principalement aux techniques spectroscopiques basées sur l'absorption, ce qui limite la sensibilité des mesures.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Guoqing Zhang, le professeur Shiyong Liu, le professeur Xiaoguo Zhou et le chercheur Xuepeng Zhang de l'Université des sciences et technologies de Chine (USTC) a développé une méthode de détection des microstructures de glace d'eau utilisant des sondes phosphorescentes organiques et la spectroscopie de phosphorescence. Leurs travaux ont été publiés dans Chimie appliquée.
Une nouvelle méthode d'analyse des molécules organiques de la glace
L'équipe a proposé une méthode basée sur l'émission pour étudier les molécules organiques dans la glace d'eau. Ils ont utilisé l'état d'hydratation d'une sonde phosphorescente, l'iodure d'acridinium (ADI), pour indiquer les changements microstructuraux de la glace d'eau (c'est-à-dire cristalline ou vitreuse). Les microstructures de la glace d'eau peuvent être considérablement dictées par une quantité infime de molécules organiques solubles dans l'eau. Plus précisément, si la glace d'eau reste amorphe à basse température, l'AD+ cation et moi– L'anion de la sonde ADI sera séparé par des molécules d'eau liées, présentant une phosphorescence de longue durée et une rémanence jaune verdâtre visible. Dans la glace cristalline ordonnée, les molécules de la sonde ADI s'agrègent, induisant une phosphorescence rouge de courte durée à travers la glace lourde atome effet de l'iode.
Spectroscopie Raman et images cryoSEM du système aqueux ADI. Crédit : équipe du professeur Guoqing Zhang
L'analyse spectrale améliore la compréhension des microstructures de la glace
Les spectres d'émission ont révélé des changements spectroscopiques distincts dans la solution aqueuse d'ADI après l'ajout de petites molécules d'éthylène glycol (EG) et de polymères EG monodispersés (PDI = 1). L'ajout de traces d'EG (0,1 %) conduit à l'émergence de la bande de fluorescence autour de 480 nm, accompagnée d'une bande de phosphorescence plus intense avec des progressions vibroniques bien résolues à 555, 598 et 648 nm. Les résultats spectraux ont indiqué que l'ajout d'EG a conduit à la transformation des molécules d'ADI dans la glace d'eau d'agrégats non dissous à des états d'ions dissous.
Vérification des résultats de phosphorescence à l'aide de techniques d'imagerie avancées
Pour corroborer les conclusions de la spectroscopie de phosphorescence, des images obtenues par microscopie électronique à balayage à basse température (Cryo-SEM) ont montré que l'ajout de traces d'EG dans la glace d'eau contenant de l'ADI entraînait des zones locales avec des microstructures poreuses. Parallèlement, les spectres Raman à basse température (LT-Raman) ont confirmé que l'ajout de traces d'EG était suffisant pour provoquer un décalage de la vibration OH de la glace d'eau d'un état cristallin à basse fréquence à un état vitreux à haute fréquence.
Implications pour les études d'interaction eau-glace-matières organiques
Cette étude a révélé que l'ajout de traces de composés organiques de petite ou de grande taille à l'eau peut inhiber de manière significative l'ordre cristallin de la glace d'eau en utilisant une spectroscopie de phosphorescence plus pratique et plus sensible. De plus, la spectroscopie de phosphorescence peut également révéler des différences morphologiques dans les microstructures de la glace d'eau lorsque des traces de composés organiques de structures différentes et de même concentration sont ajoutées à l'eau, ce qui est cohérent avec la spectroscopie Raman et la microscopie électronique à balayage, offrant un nouveau moyen technique pour étudier les interactions eau-glace-composés organiques à une concentration plus faible et une plage de température plus large.
