Une technique spectroscopique qui distingue les molécules d'eau à la surface révèle comment elles se détendent après avoir été excitées

Une image plus complète de la façon dont les molécules d'eau excitées à l'interface avec l'air perdent leur énergie a été découverte par les scientifiques de RIKEN dans une étude publiée dans la revue Communications naturelles. Cette découverte sera précieuse pour mieux comprendre les processus qui se produisent à la surface de l’eau.

L'eau est une anomalie à bien des égards. Par exemple, ses points de congélation et d’ébullition sont beaucoup plus élevés que ce à quoi on pourrait s’attendre, et il est moins dense sous forme solide (glace) que sous forme liquide.

Presque toutes les propriétés inhabituelles de l'eau proviennent de liaisons faibles qui se forment et se brisent continuellement entre les molécules d'eau voisines. Connues sous le nom de liaisons hydrogène, ces liaisons surviennent parce que l’oxygène attire davantage les électrons que l’hydrogène. L’oxygène légèrement négatif d’une molécule est ainsi attiré vers les hydrogènes légèrement positifs des autres molécules.

Mais un minuscule morceau de molécules d’eau – celles qui se trouvent à la surface – subit les liaisons hydrogène différemment des autres molécules d’eau. Dans leur cas, le bras qui s’élève dans l’air ne forme pas de liaisons hydrogène.

Jusqu’à présent, personne n’avait pu découvrir comment les bras de ces molécules de surface se détendaient après avoir été étirés. C'est parce qu'il est extrêmement difficile d'isoler le signal de ces molécules.

“Nous avons une bonne connaissance du comportement des molécules d'eau dans le corps du liquide, mais notre compréhension des molécules d'eau à l'interface est loin derrière”, explique Tahei Tahara du laboratoire de spectroscopie moléculaire RIKEN.

Au cours de la dernière décennie, une équipe dirigée par Tahara a tenté de remédier à cette situation en développant des techniques de spectroscopie très sophistiquées pour sonder les interactions des molécules d'eau sur les surfaces.

L’équipe a désormais développé une technique basée sur la spectroscopie infrarouge suffisamment sensible pour détecter la façon dont les liaisons oxygène-hydrogène des molécules d’eau de surface se relâchent.

En utilisant cette technique, l’équipe a découvert que les liaisons oxygène-hydrogène qui s’élèvent dans l’air tournent d’abord sans perdre d’énergie. Ils se détendent ensuite de la même manière que les molécules du corps du liquide qui forment un réseau de liaisons hydrogène.

“En ce sens, il n'y a pas de grande différence entre les molécules à l'interface et à l'intérieur du liquide après interaction avec leurs voisines : elles partagent toutes deux le même processus de relaxation”, explique Tahara. “Ces résultats dressent un tableau complet de la façon dont l'étirement des liaisons oxygène-hydrogène se détend à la surface de l'eau.”

Tahara et son équipe ont désormais l'intention d'utiliser leur technique spectroscopique pour étudier les réactions chimiques qui se produisent à l'interface de l'eau.