« Eau quantique » découverte dans des nanotubes de carbone

De nombreux astrobiologistes pensent que l'eau est un ingrédient clé de la vie. Et pas seulement parce que la vie sur Terre ne peut pas s'en passer.

L'eau a un ensemble étrange de propriétés que les autres produits chimiques ne partagent tout simplement pas. Un exemple célèbre est que l'eau se dilate lorsqu'elle gèle, garantissant que la glace flotte plutôt que de couler. C'est important car si ce n'était pas le cas, les lacs et les océans gèleraient du bas vers le haut, ce qui rendrait difficile la survie et l'évolution d'une vie complexe.

Ces propriétés et d'autres sont le résultat de la capacité des molécules d'eau à former des liaisons hydrogène les unes avec les autres, ce qui confère à ces molécules des propriétés très spéciales.

Aujourd'hui, George Reiter de l'Université de Houston et quelques amis ont mis en avant la preuve que l'eau est plus étrange qu'on ne le pensait. En fait, ils vont jusqu'à dire que, confiné à l'échelle nanométrique, il se transforme en un tout nouveau type d'eau quantique.

L'arrière-plan est que les électrons dans les molécules donneuses et acceptrices dans les liaisons hydrogène sont indiscernables, ce qui signifie qu'ils peuvent voyager d'une molécule à l'autre. Lorsque les molécules sont confinées d'une manière ou d'une autre, elles peuvent s'étendre sur une certaine distance, dans un solide par exemple.

Mais les molécules d'eau peuvent également être confinées d'autres manières. Et lorsque cela se produit, la structure électronique de l'eau liquide devient un réseau connecté.

Cela soulève une question importante : en quoi le comportement des molécules dans ce réseau électronique diffère-t-il du comportement des molécules dans l'eau en vrac interagissant de manière ordinaire ?

Reiter et co disent avoir mesuré les propriétés du confiné dans le minuscule espace à l'intérieur des nanotubes de carbone à température ambiante et trouvé des différences importantes. Ils l'ont fait en remplissant des nanotubes d'eau et en les bombardant d'un intense faisceau de neutrons au Rutherford Appleton Lab au Royaume-Uni. La façon dont les neutrons sont diffusés révèle la quantité de mouvement des protons à l'intérieur des nanotubes.

Il s'avère que les protons dans cette eau nano-confinée à température ambiante se comportent de manière totalement différente de ceux de l'eau en vrac. Les protons sont connus pour être sensibles aux champs électroniques qui les entourent. Ainsi, lorsque ces champs forment des réseaux électroniques inhabituels, il n'est pas surprenant que les protons se comportent différemment.

Les écarts de la distribution de la quantité de mouvement des protons par rapport à celle de l'eau en vrac sont si importants que nous pensons que l'eau nano-confinée peut être correctement décrite comme étant dans un état fondamental quantique qualitativement différent de celui de l'eau en vrac, disent-ils.

Ils suggèrent même qu'il pourrait y avoir une sorte de cohérence quantique qui se propage à travers le réseau électronique. Si tel est le cas, il devrait être possible de mesurer comment cela se décohère dans de futures expérimentations.

C'est un gros problème. Reiter et co ont choisi les nanotubes de carbone parce qu'ils sont un analogue des conditions auxquelles l'eau est confrontée lorsqu'elle traverse des systèmes vivants, à travers des canaux ioniques dans les membranes cellulaires, par exemple. Les biologistes savent depuis longtemps que le débit à travers ces canaux est d'un ordre de grandeur supérieur à ce que prédit la dynamique des fluides conventionnelle. Peut-être que ce nouvel état de l'eau quantique en est la raison.

Reiter et co disent également que cette eau quantique ne peut exister que lorsqu'elle est entourée de molécules neutres comme le carbone dans les nanotubes et non en présence de nombreux matériaux couramment étudiés, comme les membranes échangeuses de protons comme le Nafion. Celui-ci est composé de molécules qui conduisent les protons d'une manière totalement différente et empêchent ainsi la formation d'eau quantique.

L'implication, bien sûr, est que les membranes échangeuses de protons utilisées dans tout, de la production chimique aux piles à combustible, pourraient être considérablement améliorées en utilisant un matériau neutre à base de carbone.

En fait, ce phénomène peut être un facteur crucial dans le mécanisme même de la vie elle-même. Choses passionnantes!

Réf : arxiv.org/abs/1101.4994 : Preuve d'un nouvel état quantique de l'eau nano-confinée

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