Nouvelles découvertes sur l'interaction entre l'eau et les surfaces repoussantes

Des chercheurs ont observé la présence d’un espace, entre l’eau et une surface repoussant l’eau, qui peut donner de nouvelles indications sur la façon dont l’eau et l’huile se séparent. Grâce aux rayons X à haute énergie de l’ESRF, une équipe internationale a pu déterminer la taille et les caractéristiques de cet espace. Il est important de connaître la structure d’une interface hydrophobe car elle est cruciale dans les systèmes biologiques. Elle peut notamment donner des indications sur le repliement et la stabilité des protéines. Les scientifiques publient leurs résultats cette semaine dans l’Early Online Edition de PNAS.

La répulsion de l’eau est un phénomène présent dans bien des aspects de notre vie. Les molécules détergentes sont constituées d’éléments attirés par l’eau (hydrophiles) et d’autres qui la repoussent (hydrophobes). Les protéines utilisent aussi les interactions avec l’eau pour former des complexes. Toutefois, l’étude de ces structures hydrophobes et de leur réaction en présence d’eau n’est pas aisée car plusieurs facteurs peuvent influencer ces réactions. Les études précédentes concernant l’espace qui se forme entre l’eau et les surfaces hydrophobes n’avaient jusqu'à présent pas montré d’image cohérente.

Des scientifiques de l’Institut Max Planck pour la Recherche sur les Métaux (Allemagne), l’Université d’Australie du Sud (Adélaïde) et l’ESRF ont mené des expériences sur des substrats de silicium recouverts en surface d’une couche repoussant l’eau. Ces substrats ont ensuite été immergés dans de l’eau dans une cellule adaptée à l’instrument. Les études de la structure de l’eau à l’interface de la couche hydrophobe ont confirmé qu’un espace s’était formé entre la couche et l’eau, dont la taille est de l’ordre du diamètre d’une molécule d’eau, soit comprise entre 0.1 et 0.5 nanomètre. Le déficit de densité intégré observé à l’interface correspond à la moitié d’une monocouche de molécule d’eau.

Les scientifiques ont également fait d’autres expériences pour tester l’influence de gaz présent dans l’eau à l’état naturel sur la lame d’eau hydrophobe. Pendant l’expérience, de l’eau très pure a été d’abord utilisée (contrairement à l’eau que l’on trouve dans la nature), puis un gaz a été introduit dans la cellule jusqu’à saturation. Les résultats ont montré que, contrairement aux rapports précédents, le gaz ne joue pas un rôle sur la structure de l’eau située à proximité d’une interface plate.

C’est la première fois que les rayons X à haute énergie sont utilisés comme outil de mesure des propriétés de cet espace. « D’autres équipes ont utilisé les neutrons, mais ils n’avaient pas une résolution suffisante ; après tout, l’espace est extrêmement petit et difficile à traquer », explique Harald Reichert, l’auteur-correspondant de l’article. Même avec l’extrême qualité du faisceau de rayons X utilisé, l’expérience représentait un défi : en effet, la couche hydrophobe greffée sur le substrat de silicium, ne peut survivre que 50 secondes lorsqu’elle est placée sous le faisceau. Les mesures devaient donc être effectuées très rapidement.

L’étape suivante pour l’équipe consiste maintenant à produire des structures poreuses afin d’étudier l’effet du confinement sur les propriétés de l’eau à l’interface des pores. « Ces études contribueront à améliorer notre connaissance du comportement de l’eau dans différents environnements. La structure de l’eau comporte encore de nombreux mystères, bien qu’elle soit mise en jeu dans les nombreux phénomènes qui nous entourent dans notre monde » a déclaré Reichert.

Référence:
Mezger et al,
High-resolution in situ X-ray study of the hydrophobic gap at the water-octadecyl-trichlorosilane interface,
PNAS published November 20, 2006.
http://www.pnas.org/cgi/content/abstract/0608827103v1

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