Molécules d’eau et densité électronique correspondant à l’état d’exciton résultant de l’absorption des photons. Crédit : Krystian Tambur (fond)/Alexey Tal (molécules d’eau)
Des chercheurs de l’EPFL ont réalisé une avancée majeure dans la compréhension des propriétés électroniques de l’eau, un élément fondamental de la vie et de l’environnement.
Il ne fait aucun doute que l’eau est importante. Sans cela, la vie n’aurait jamais commencé, et encore moins perdure aujourd’hui – sans parler de son rôle dans l’environnement lui-même, les océans couvrant plus de 70 % de la Terre.
Mais malgré son omniprésence, l’eau liquide présente certaines subtilités électroniques qui ont longtemps intrigué les scientifiques en chimie, en physique et en technologie. Par exemple, l’affinité électronique, c’est-à-dire la stabilisation énergétique subie par un électron libre lorsqu’il est capturé par l’eau, est restée mal caractérisée d’un point de vue expérimental.
Percer les mystères électroniques de l’eau
Même la théorie de la structure électronique la plus précise d’aujourd’hui n’a pas réussi à clarifier le tableau, ce qui signifie que des quantités physiques importantes comme l’énergie à laquelle les électrons provenant de sources externes peuvent être injectés dans l’eau liquide restent insaisissables. Ces propriétés sont cruciales pour comprendre le comportement des électrons dans l’eau et pourraient jouer un rôle dans les systèmes biologiques, les cycles environnementaux et les applications technologiques comme la conversion de l’énergie solaire.
Dans une étude récente, les chercheurs de l’EPFL Alexey Tal, Thomas Bischoff et Alfredo Pasquarello ont fait des progrès significatifs dans le déchiffrement de l’énigme. Leur étude, publiée dans PNASaborde la structure électronique de l’eau à l’aide de méthodes informatiques qui vont au-delà des approches les plus avancées actuelles.
Approches théoriques avancées
Les chercheurs ont étudié l’eau en utilisant une méthode basée sur la « théorie des perturbations à plusieurs corps ». Il s’agit d’un cadre mathématique complexe utilisé pour étudier les interactions de plusieurs particules au sein d’un système, comme les électrons dans un solide ou une molécule, explorant comment ces particules affectent le comportement de chacune d’elles, non pas isolément mais dans le cadre d’un groupe en interaction plus large. En termes relativement simples, la théorie des perturbations à N corps est un moyen de calculer et de prédire les propriétés d’un système à plusieurs particules en prenant en compte toutes les interactions complexes entre ses composants.
Mais les physiciens ont peaufiné la théorie avec des « corrections de sommets » : des modifications de la théorie des perturbations à N corps qui tiennent compte des interactions complexes entre les particules au-delà des approximations les plus simples. Les corrections de sommet affinent la théorie en prenant en compte la manière dont ces interactions affectent les niveaux d’énergie des particules, par exemple leur réponse aux champs externes ou leur propre énergie. En bref, les corrections de sommets conduisent à des prédictions plus précises des propriétés physiques dans un système à plusieurs particules.
Modélisation des propriétés électroniques de l’eau
La modélisation de l’eau liquide est particulièrement difficile. Une molécule d’eau contient un oxygène atome et deux atomes d’hydrogène, et leur mouvement thermique ainsi que la nature quantique de leurs noyaux jouent un rôle clé. En tenant compte de ces aspects, les chercheurs ont déterminé avec précision les propriétés électroniques de l’eau, telles que son potentiel d’ionisation, son affinité électronique et sa bande interdite. Ces découvertes sont essentielles pour comprendre comment l’eau interagit avec la lumière et d’autres substances au niveau électronique.
« Notre étude des niveaux d’énergie de l’eau concilie théorie de haut niveau et expérience », explique Alfredo Pasquarello. Alexey Tal souligne en outre l’importance de la nouvelle méthodologie : « Grâce à la description avancée de la structure électronique, nous avons également pu produire un spectre d’absorption précis. »
Un nouveau paradigme pour la science des matériaux
Les résultats ont des implications supplémentaires. Les développements théoriques appliqués par l’équipe de l’EPFL jettent les bases d’une nouvelle norme universellement applicable pour réaliser des structures électroniques précises des matériaux. Cela fournit un outil hautement prédictif qui pourrait potentiellement révolutionner notre compréhension fondamentale des propriétés électroniques dans la science de la matière condensée, avec des applications dans la recherche de propriétés de matériaux dotées de fonctionnalités électroniques spécifiques.
