Les chercheurs ont étudié pour la première fois comment deux formes différentes de eau (ortho- et para-) se comportent différemment lorsqu'ils subissent des réactions chimiques.
Eau est une entité chimique, une molécule dans laquelle un seul oxygène L'atome est lié à deux atomes d'hydrogène (H2O). Eau existe sous forme liquide, solide (glace) et gazeuse (vapeurs). C'est l'un des rares produits chimiques qui ne contiennent pas carbone et peut encore être liquide à température ambiante (environ 20 degrés). Eau est omniprésent et important pour la vie. Au niveau moléculaire, il est bien connu que chaque jour eau existe sous deux formes différentes mais cette information n’est pas de notoriété publique. Ces deux formes de eau sont appelés isomères et sont appelés ortho- ou para- eau. La principale différence entre ces formes est très subtile et réside simplement dans l'orientation relative des spins nucléaires des deux atomes d'hydrogène qui sont alignés dans la même direction ou dans une direction opposée, d'où leurs noms. Cette rotation des atomes d’hydrogène est due à la physique atomique, même si ce phénomène n’est pas encore entièrement compris. Ces deux formes ont des propriétés physiques identiques et on pensait jusqu'à présent qu'elles devaient également avoir des propriétés chimiques identiques.
Dans une étude récente publiée dans Nature Communications, des chercheurs de l'Université de Bâle à Hambourg ont étudié pour la première fois la différence de réactivité chimique de ces deux formes de eau et ont prouvé que les ortho- et para-formes réagissent très différemment. La réactivité chimique désigne la manière ou la capacité par laquelle une molécule subit une réaction chimique. L'étude impliquait la séparation des eau dans ses deux formes isomères (ortho- et para-) à l'aide d'un déflecteur électrostatique en impliquant des champs électriques. Étant donné que ces deux isomères sont pratiquement identiques et possèdent des propriétés physiques identiques, ce processus de séparation est complexe et difficile. La séparation a été réalisée par ce groupe de chercheurs en utilisant une méthode basée sur les champs électriques développée par eux pour la science des lasers à électrons libres. Le déflecteur introduit un champ électrique dans un faisceau d'eau atomisée. Puisqu’il existe une différence cruciale dans le spin nucléaire des deux isomères, cela a un léger impact sur la manière dont les atomes interagissent avec ce champ électrique. Par conséquent, à mesure que l’eau traverse le déflecteur, elle commence à se séparer en deux formes ortho- et para-.
Les chercheurs ont démontré que eau réagit environ 25 pour cent plus rapidement que l'ortho-eau et est capable d'attirer vers un réaction partenaire plus fortement. Ceci s'explique certainement par la différence de spin nucléaire qui influence la rotation des molécules d'eau. De plus, le champ électrique de la paraeau est capable d'attirer les ions plus rapidement. Le groupe a en outre effectué des simulations informatiques de molécules d'eau pour corroborer leurs découvertes. Toutes les expériences ont été réalisées avec des molécules à des températures très basses, près de -273 degrés Celsius. C'est un facteur important comme expliqué par les auteurs que ce n'est que dans de telles conditions que les états quantiques individuels et le contenu énergétique des molécules peuvent être bien définis et mieux contrôlés. Ce qui signifie que la molécule d'eau se stabilise sous l'une ou l'autre de ses deux formes et leurs différences deviennent évidentes et claires. Ainsi, l'étude des réactions chimiques peut alors révéler des mécanismes et des dynamiques sous-jacents conduisant à une meilleure compréhension. Cependant, l'utilisation pratique de cette étude pourrait ne pas être très élevée à l'heure actuelle.
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Sources)
Kilaj A et al 2018. Observation des différentes réactivités de l'eau para et ortho vis-à-vis des ions diazénylium piégés. Communications Nature. 9 (1). https://doi.org/10.1038/s41467-018-04483-3
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