Une structure d’eau prédite et insaisissable créée en laboratoire

Les hydrates de clathrate sont des structures aqueuses complexes qui contiennent des molécules étrangères invitées à l’intérieur d’une coquille de molécule d’eau hôte. Une structure de phase d’hydrate de clathrate prédite a été synthétisée de manière stable en laboratoire et pourrait jouer un rôle important dans la recherche future en science des matériaux.

Les molécules d’eau sont constituées de trois atomes seulement : deux atomes d’hydrogène liés à un seul atome d’oxygène. Les molécules d’eau individuelles peuvent se lier faiblement les unes aux autres et à d’autres molécules, modifiant ainsi leurs propriétés physicochimiques collectives.

Les hydrates de clathrate, en particulier, sont des réseaux de molécules d’eau qui s’auto-assemblent autour de substances invitées pour créer des structures à liaisons hydrogène. Ces structures appartiennent aux phases Frank-Kasper (FK) en raison de leur disposition géométrique sous forme de tétraèdres compacts. Il est remarquable que la structure soit entièrement constituée de liaisons faibles entre l’eau et les molécules invitées, ce qui rend certaines structures d’hydrates de clathrate prédites très difficiles à synthétiser.

La structure HS-I est l’une de ces phases d’hydrate de clathrate qui génère des cristaux hexagonaux. Une étude antérieure avait rapporté une forme métastable de la structure HS-I, mais une forme stable échappait aux chercheurs. Pour résoudre ce problème, une équipe d’ingénieurs chimistes et de cristallographes de l’Université nationale de Yokohama et de l’Institut national de technologie industrielle et scientifique avancée (AIST) au Japon a généré une forme stable d’hydrate de clathrate HS-I et a analysé la véritable structure de la forme HS-I.

L’équipe a publié l’étude dans le numéro du 24 juillet de Progrès scientifiques.

« La structure hexagonale, l’une des trois structures primitives (FK) des hydrates de clathrate, peut être agencée géométriquement mais est thermodynamiquement instable et n’a jamais été créée en pratique. Nous avons créé une substance qui correspond à la partie clé de cette structure et avons réussi à stabiliser la structure hexagonale en utilisant ce matériau », a déclaré Sanehiro Muromachi, professeur associé à l’École supérieure d’ingénierie de l’Université nationale de Yokohama.

Plus précisément, l’équipe de recherche a créé un hydrate de clathrate HS-I stable en ajustant avec précision la molécule invitée, le chlorure de tri-n-butyle, n-hexylammonium (N4446Cl). La chaîne n-hexyle, en particulier, était la seule molécule invitée capable de stabiliser la véritable forme d’une cage de molécule d’eau pentakaïdécaèdre (12 pentagones + 3 hexagones) requise pour la structure HS-I.

Des formes stables ont été produites sous des pressions gazeuses de méthane et de dioxyde de carbone ainsi que sous la pression atmosphérique. La structure cristalline hexagonale était constituée de dodécaèdres individuels (12 pentagones), de tétrakaïdécaèdres (12 pentagones + 2 hexagones) et de pentakaïdécaèdres composés de faces pentagonales et/ou hexagonales.

En ajustant soigneusement la molécule invitée pour générer un hydrate de clathrate HS-I stable, les chercheurs peuvent générer une combinaison de phases FK mixtes pour concevoir un hydrate de clathrate avec des propriétés idéales pour une variété d’applications.

« La découverte de la structure primitive finale des hydrates de clathrate ouvre la voie à l’exploration de la science des matériaux. Nous espérons que ces découvertes seront appliquées aux technologies de stockage et de transport du gaz naturel et des carburants synthétiques, aux technologies de séparation et de récupération du dioxyde de carbone et à la création de nouveaux matériaux », a déclaré Muromachi.

Un aspect important des recherches de l’équipe a été sa capacité à synthétiser l’hydrate de clathrate HS-I dans des conditions similaires à la température et à la pression ambiantes. Une tendance des études antérieures visant à créer de nouvelles structures d’eau s’est concentrée sur des conditions extrêmes, telles que l’ultra-haute pression, le vide ou les températures ultra-froides. Cette découverte la plus récente met en évidence la capacité d’appliquer les propriétés physico-chimiques de différents réseaux d’eau à la recherche écologique et simplifie le développement de matériaux.

La synthèse d’un clathrate hydraté HS-I stable aura un large impact sur de nombreux domaines différents et stimulera probablement la synthèse de structures de phase FK supplémentaires pour d’autres composés en ajustant finement les structures des molécules invitées.

« La structure HS-I devrait être appliquée aux technologies de stockage et de transport du gaz naturel, des carburants synthétiques et du CO₂ « Nous allons également continuer à développer de nouveaux matériaux intégrant des phases mixtes », a déclaré Muromachi.

Satoshi Takeya, chercheur principal en chef de l’Institut de recherche sur les processus énergétiques (EPRI) de l’Institut national des technologies industrielles et scientifiques avancées (AIST) de Tsukuba, au Japon, a également contribué à cette recherche.