Lorsque l'eau est piégée dans d'étroites cavités nanométriques, elle entre dans une phase intermédiaire qui n'est ni solide ni liquide, mais quelque part entre les deux. C'est la découverte d'une équipe internationale de chercheurs qui a utilisé la physique statistique, la mécanique quantique et l'apprentissage automatique pour étudier comment les propriétés de l'eau changent lorsqu'elle est confinée dans de si petits espaces. En analysant le diagramme de phase pression-température de cette eau nanoconfinée, comme on l'appelle, l'équipe a découvert qu'elle présente une phase « hexatique » intermédiaire et qu'elle est également très conductrice.

Les propriétés de l'eau à l'échelle nanométrique peuvent être très différentes de celles que nous associons à l'eau en vrac. Entre autres caractéristiques inhabituelles, l'eau à l'échelle nanométrique a une constante diélectrique anormalement basse, s'écoule presque sans frottement et peut exister dans une phase de glace carrée.

L'étude de l'eau nanoconfinée a d'importantes applications dans le monde réel. Une grande partie de l'eau de notre corps est confinée dans des cavités étroites telles que les espaces à l'intérieur des cellules, entre les membranes et dans les petits capillaires, note le chef d'équipe Venkat Kapil, chimiste théoricien et scientifique des matériaux à Université de Cambridge, Royaume-Uni. Il en va de même pour l'eau emprisonnée dans les roches ou emprisonnée dans le béton. La compréhension du comportement de cette eau pourrait donc être au cœur de la biologie, de l'ingénierie et de la géologie. Cela pourrait également être important pour le développement de futurs nanodispositifs aqueux et pour des applications telles que la nanofluidique, les matériaux électrolytiques et le dessalement de l'eau.

Ces dernières années, des chercheurs ont fabriqué des capillaires hydrophobes artificiels aux dimensions nanométriques. Cela leur a permis de mesurer les propriétés de l'eau lorsqu'elle traverse des canaux si étroits que les molécules d'eau n'ont pas assez d'espace pour afficher leur schéma habituel de liaison hydrogène.

Une seule molécule d'épaisseur

Dans les derniers travaux, Kapil et ses collègues ont étudié l'eau piégée entre deux feuilles de type graphène, de sorte que la couche d'eau n'avait qu'une molécule d'épaisseur. À l'aide de simulations atomistiques, qui visent à modéliser le comportement de tous les électrons et noyaux d'un système, ils ont calculé le diagramme de phases pression-température de l'eau. Ce diagramme, qui trace la température sur un axe et la pression sur l'autre, révèle la phase la plus stable de l'eau à une condition pression-température donnée.

"Ces simulations sont généralement très coûteuses en calcul, nous avons donc combiné de nombreuses approches de pointe basées sur la physique statistique, la mécanique quantique et l'apprentissage automatique pour réduire ce coût", explique Kapil. Monde de la physique. "Ces économies de calcul nous ont permis de simuler rigoureusement le système à différentes pressions et températures et d'estimer les phases les plus stables."

Les chercheurs ont découvert que l'eau monocouche présente un comportement de phase étonnamment varié qui est très sensible à la température et à la pression agissant dans le nanocanal. Dans certains régimes, il présente une phase « hexatique », qui est intermédiaire entre un solide et un liquide comme le prédit la théorie dite de KTHNY qui décrit la fusion des cristaux en confinement 2D. Cette théorie a valu à ses développeurs Prix ​​Nobel de physique 2016 pour faire progresser notre compréhension du comportement de phase des solides 2D.

Haute conductivité électrique

Les chercheurs ont observé que l'eau nanoconfinée devient hautement conductrice, avec une conductivité électrique 10 à 1000 fois supérieure à celle des matériaux de batterie. Ils ont également constaté qu'il cesse d'exister dans une phase moléculaire. "Les atomes d'hydrogène commencent à se déplacer presque comme un fluide à travers un réseau d'oxygène, disons comme des enfants qui courent dans un labyrinthe", explique Kapil. « Ce résultat est remarquable car une telle phase superionique « en vrac » conventionnelle ne devrait être stable que dans des conditions extrêmes comme à l'intérieur des planètes géantes. Nous avons pu le stabiliser dans des conditions douces.

"Il semble que le confinement des matériaux en 2D peut conduire à des propriétés très intéressantes ou à des propriétés que leurs homologues en vrac ne présentent que dans des conditions extrêmes", poursuit-il. « Nous espérons que notre étude permettra de dévoiler de nouveaux matériaux aux propriétés intéressantes. Notre plus grand objectif, cependant, est de comprendre l'eau, en particulier lorsqu'elle est soumise à des conditions très complexes, comme à l'intérieur de notre corps.

L'équipe, qui comprend des chercheurs de l'University College London, de l'Università di Napoli Federico II, de l'Université de Pékin et de l'Université de Tohoku, Sendai, espère maintenant observer les phases qu'ils ont simulées dans des expériences du monde réel. «Nous étudions également des matériaux 2D autres que ceux de type graphène, car ces systèmes pourraient en principe être synthétisés et étudiés en laboratoire», révèle Kapil. "Une comparaison individuelle avec les expériences devrait donc être possible - croisons les doigts."

Le présent travail est détaillé dans Nature.