Un nouveau modèle pour les interactions entre l'oxyde de graphène et l'eau

Publié par Redbran le 21/04/2020 à 13:00
Source: CNRS INC
Alors que les feuillets d'oxyde de graphène constituent des membranes très prometteuses pour filtrer l'eau, le comportement précis de l'eau au contact du matériau reste méconnu. À l'aide d'un supercalculateur, des chercheurs des laboratoires PASTEUR (CNRS-ENS Paris-Sorbonne université) et de l'IRCP (CNRS-Chimie ParisTech) / université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) PSL, ont conçu un nouveau modèle de ces interactions, montrant la formation de grappes de fonctions oxygénées le long des lames d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins...) de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.). Publiés dans Nature Communications, ces travaux expliquent comment les feuillets de graphène s'organisent et devraient donc aider à une meilleure filtration (La filtration est un procédé de séparation permettant de séparer les...) de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...).


Feuillets d'oxyde de graphène dans l'eau. On y voit les atomes de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) (noir), d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) (grenat), d'oxygène de l'eau (rouge) et d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) (gris). © M.L. Bocquet.

Matériau à deux dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) synthétisé à faible coût, l'oxyde de graphène est composé de feuillets formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) des membranes, qui montrent des propriétés inégalées pour purifier ou dessaler l'eau. La nature des interactions chimiques entre l'oxyde de graphène et l'eau liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) reste néanmoins mal comprise, car l'oxyde de graphène comprend plusieurs types de fonctions oxygénées qui se répartissent irrégulièrement le long de ses feuillets. Or ce sont ces fonctions qui peuvent réagir avec l'eau. À l'aide d'une méthode de dynamique moléculaire (Une simulation de dynamique moléculaire consiste à calculer l'évolution d'un système de...) qui prend en compte les phénomènes quantiques à l'échelle des électrons, des chercheurs du laboratoire Processus d'activation (Activation peut faire référence à :) sélectif par transfert d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) uni-électronique ou radiatif (PASTEUR, CNRS/ENS Paris/Sorbonne université) et de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) (IRCP, CNRS/Chimie ParisTech) ont proposé une modélisation totalement nouvelle de l'oxyde de graphène et de son interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec l'eau.

Alors que les modèles précédents considéraient l'oxyde de graphène comme un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.), où l'eau ne ferait que glisser entre les feuillets lors de la filtration, les chercheurs ont ici exploré de multiples modèles atomistiques de l'oxyde de graphène au contact de l'eau. Un processus long et coûteux à simuler, rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) possible par l'aide du Grand équipement national de calcul intensif du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) (GENCI). Ces travaux ont montré que les groupes fonctionnels oxygénés (hydroxyle et époxydes) se rassemblent préférentiellement en zones riches en oxygène et laissant à découvert des zones de graphène pur. Ces grappes peuvent perdre des protons sous l'action de l'eau et ainsi acquérir une charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...): la répulsion entre les feuillets chargés négativement assure la stabilité des feuillets, qui se maintiennent alors les uns les autres à une même distance. Les chercheurs comptent à présent tester l'impact d'autres liquides contenant de l'hydrogène, comme des alcools, pour voir si de nouvelles réactivités apparaissent, ainsi que de vérifier si les comportements changent si on modifie l'espace entre les feuillets.

Référence:
Félix Mouhat, François-Xavier Coudert & Marie-Laure Bocquet. Structure and chemistry of graphene oxide in liquid water from first principles. Nature Communications volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 11, article number: 1566. 2020. DOI

Contacts:
- Marie-Laure Bocquet - Laboratoire PASTEUR (CNRS-ENS Paris-Sorbonne université) / Univ. PSL - marie-laure.bocquet at ens.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) - inc.communication at cnrs.fr
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