Description de l'écoulement de l'eau à l'échelle nanométrique

Le comportement d'écoulement de l'eau dans des nanocanaux a été décrit pour la première fois par deux chercheurs espagnols. Leurs travaux mettent en évidence que la réduction de l'espace d'écoulement limite l'organisation macroscopique des molécules, facilitant leur progression. Une découverte qui pourrait contribuer au développement de nouveaux systèmes de filtration.

L'eau, un liquide à part

L'eau liquide est un matériau particulier. Plus de 65 "anomalies" dans son comportement le différencient des autres liquides. L'augmentation de volume de l'eau quand sa température devient inférieure à 4°C, qui entraîne parfois des surprises dans les congélateurs, est une de ces propriétés bien connue de tous. Celles-ci viennent pour la plupart de la capacité des molécules d'eau, formée d'un atome d'oxygène et de deux d'hydrogène (H2O), de se lier entre elles à travers des "ponts hydrogène". Ces liaisons structurent des réseaux de molécules et influencent le comportement de l'eau à l'échelle macroscopique.

Il a été observé que l'eau s'écoule de manière anormalement rapide dans des nanocanaux. Cependant, aucun travail n'était parvenu jusqu'à présent à expliquer la raison de cette nouvelle anomalie. En modélisant le comportement des molécules d'eau à cette échelle, deux chercheurs espagnols ont proposé une solution.

Confinement et liaisons hydrogène

Pour comprendre les raisons de cet effet, Giancarlo Franzese, de l'Université de Barcelone et Francisco de los Santos, de l'Université de Granada, ont développé un modèle numérique décrivant le comportement de l'eau à l'échelle moléculaire. En calculant les interactions entre les molécules, notamment l'effet de leurs liens via des ponts hydrogène, placées entre deux plaques aux propriétés hydrophobes, ces chercheurs sont parvenus à comprendre le phénomène (1).

Lorsque la distance entre les plaques est supérieure à un nanomètre, les molécules d'eau disposent d'assez d'espace pour s'organiser de manière macroscopique grâce aux liaisons hydrogène. Elles gardent ainsi une structure collective. Pour un écartement des plaques inférieur à un nanomètre, un espace pouvant contenir trois molécules d'eau, cette organisation collective n'est plus possible. L'espace manque. Il existe moins de liaisons hydrogène entre les molécules, facilitant alors leur circulation. C'est donc parce que l'organisation des molécules d'eau n'est plus possible de manière macroscopique via les liaisons hydrogène que les molécules sont capables de se déplacer plus rapidement dans des nanotubes de diamètre inférieur à 1 nanomètre.

Les conséquences pour la filtration

Le développement des nanomatériaux ouvre des nouvelles perspectives dans le domaine de la filtration. Les motifs de ces matériaux ont une échelle proche de celle des molécules. En jouant sur la taille des nanocanaux, il est ainsi possible de créer des systèmes de filtration laissant passer seulement certaines molécules en fonction de leur taille ou de leurs propriétés d'écoulement. Il est alors essentiel de pouvoir comprendre comment les liquides s'écoulent au travers des nanostructures.

Le travail théorique présenté ici est donc décisif dans la réalisation de nouveaux systèmes permettant de filtrer l'eau des polluants qu'elle contient ou encore pour envisager de nouveaux systèmes permettant de désaliniser l'eau de mer. Ces systèmes seraient basés sur l'utilisation de nanomatériaux comme le graphène. Il n'y aurait alors plus besoin d'utiliser des produits chimiques pour purifier l'eau.

Note:

(1) "Relations between the diffusion anomaly and cooperative rearranging regions in a hydrophobically nanoconfined water monolayer", F. de los Santos, G. Franzese, Physical Review E 85 [1] 010602 R, 2012. Dpi: 10.1103/PhysRevE.85.010602.http://pre.aps.org/abstract/PRE/v85/i1/e010602