Des neutrons pour étudier la structure de l’eau : le pont d’eau lourde

Elmar C. Fuchs¹, Brigitte Bitschnau², Jakob Woisetschläger³, Eugen Maier⁴, Brigitte Beuneu⁵ and José Teixeira⁵

¹Wetsus, Center of Excellence for Sustainable Water Technology, Agora 1, 8900 CC Leeuwarden, The Netherlands
²Institute of Physical and Theoretical Chemistry, Graz University of Technology, Rechbauerstraße 12, 8010 Graz, Austria
³Institute of Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics, Graz University of Technology, Inffeldgasse 25A, Graz, Austria
⁴Institute for Chemistry and Technology of Materials, Graz University of Technology, Stremayrgasse 16, 8010 Graz, Austria
⁵Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS/IRAMIS, CEA/Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France.

Sir William George Armstrong (1810-1900), fondateur de Armstrong Whitworth & Co Ltd (from Abs. Astronomy).

Dans une expérience historique (1893) extrêmement surprenante, Sir William George Armstrong avait observé qu’il était possible de créer un « pont d’eau » entre deux verres remplis et reliés par un fil de coton et soumis à une forte différence de potentiel [1]. Le pont se maintenait quelques secondes après retrait du fil.

Récemment, une équipe de physiciens de l’Université de Graz en Autriche [2] a montré que ce pont pouvait se construire spontanément (et sans fil !) entre deux béchers : en appliquant une forte tension électrique (~ 20 kV). Ce pont peut dépasser le centimètre pour un diamètre de quelques millimètres et une durée de vie de l’ordre d’une heure.

Cette structure éphémère, causée par le champ électrique intense, reste aujourd’hui très mystérieuse. Du fait de sa composition chimique, de la forme de sa molécule et des liaisons hydrogène inter-moléculaires, les propriétés de l’eau à l’état liquide ou solide sont très particulières. La nature des liaisons hydrogène responsables de la stabilité de ces structures est toujours en discussion, avec par exemple des conséquences importantes sur nos connaissances en biologie.

Pont d’eau (5mm de long, 1mm de diamètre) entre 2 béchers remplis d’eau lourde formé sous l’effet d’une tension appliquée de 15 kV.

C’est pour tenter de percer leur secret qu’une première exploration de la structure moléculaire des ponts par diffusion de neutrons a été réalisée au laboratoire Léon Brillouin (CEA/CNRS, réacteur Orphée, diffractomètre 7C2 pour liquides et amorphes). De façon générale, en sondant la matière avec des neutrons, et en regardant leur diffusion, il est possible d’obtenir des informations fines sur l’arrangement local des atomes et des molécules qui la constituent. Pour améliorer la qualité du signal neutrons, l’utilisation d’eau lourde (D₂O) était nécessaire et dans une première étape la réalisation d’un « pont d’eau » lourde a réussi. La substitution du deutérium à l’hydrogène est connue pour ne pas modifier la structure du liquide. Une des difficultés de l’expérience provient de la nécessité d’avoir une eau d’une très grande pureté.

La coïncidence du pic principal des spectres de diffusion de neutrons associés au pont d’eau et à D₂O liquide (voir figure) montre qu’il n’y pas de différences notables pour la densité et la distance intermoléculaire des molécules au sein du « pont d’eau », comparées à la structure du liquide usuel. Ceci élimine un certain nombre d’hypothèses envisagées, telles que, par exemple, celles faisant intervenir une orientation collective des molécules. Cependant le signal de diffusion aux très petits angles (< 2 Å^-1) diffère nettement. Ceci pourrait être compatible avec un ordre à distance intermédiaire ou à la présence d’hétérogénéités. Le signal de diffusion aux petits angles est aussi compatible avec la présence de nano-bulles dont les interfaces pourraient jouer un rôle dans la tension superficielle et la stabilité du pont [4].

Intensité diffusée par des ponts d’eau, comparée à celle de l’eau lourde en volume (en noir). La différence aux grands angles (q > 4 Å-1) n’est pas significative (ombre due aux béchers). Le pic principal (~ 2 Å-1) n’est pas déplacé ce qui montre la conservation au sein du pont de la densité et de la distance intermoléculaire du liquide usuel. Le signal aux petits angles (q ~ 1 Å-1) est beaucoup plus intense que celui de l’eau lourde en volume, suggérant de réaliser des expériences complémentaires de diffusion aux petits angles, indispensables pour donner une interprétation univoque à ce dernier résultat [3].

Si l’origine profonde de la structure du « pont d’eau » reste encore un mystère, il vient d’être montré qu’il était possible de reproduire l’expérience avec de l’eau lourde et de sonder sa structure par diffusion de neutrons, profitant ainsi de la très forte sensibilité de cette technique aux éléments légers (comparés à celle des rayons X). Des expériences plus poussées de diffusion de neutrons aux petits angles sont programmées et pourraient apporter des éléments complémentaires décisifs pour résoudre l’énigme.

Références :

[1] W.G. Armstrong, Electrical phenomena The Newcastle Literary and Philosophical Society, The Electrical Engineer, 10 february 1893, p.154.

[2] E.C. Fuchs, J. Woisetschläger, K. Gatterer, E. Maier, R. Pecnik, G. Holler and H. Eisenkölbl, J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 6112.

[3] E.C. Fuchs, B. Bitschnau, J. Woisetschläger, E. Maier, B. Beuneu and J. Teixeira, J. Phys. D: Appl. Phys. 42 (2009) 065502.

[4] E.C. Fuchs , K. Gatterer, G. Holler J. and Woisetschläger, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 185502.

La présente étude a été réalisée au LLB, du fait de la forte réputation internationale du Laboratoire dans l’étude de la structure de l’eau, de son diagramme de phase et de sa dynamique complexe [5-7]. Au-delà des études structurales, un autre thème important abordé est l’hydratation de protéines et autres molécules biologiques.

[5] Physics of liquid water, structure and dynamics,
J. Teixeira and A. Luzar, Cours de l’Ecole de physique Les Houches

[6] L’étrange comportement de l’eau ultrafroide,
J. Teixeira, Pour la Science n°285, Juillet 2001.

[7] Dynamics of hydrogen bonds: how to probe their role in the unusual properties of liquid water,
J. Teixeira, A. Luzar and S. Longeville, J. Phys. Condens. Matter 18 (2006) S2353 (PDF).

Hydration Processes in Biology: Theoretical and Experimental Approaches, edited by M.C. Bellissent-Funel, NATO ASI Science Series A : Life Sciences Series (Publisher IOS Press), Vol 305 (Août 1999).