Vers une meilleure description quantique de l'eau

Publié par Adrien le 20/06/2022 à 09:00
Source: CNRS INP
La description quantique de molécules en interaction conduit à des calculs notoirement complexes dès que leur nombre dépasse quelques unités. Grâce à une importante campagne de simulations quantiques, des physiciennes et des physiciens ont néanmoins réussi à reproduire sur une gamme étendue de températures des grandeurs dynamiques de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) telles que la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) et la viscosité.

L'augmentation continue de la puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) des ordinateurs depuis 60 ans a fait faire des progrès remarquables en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) condensée en rendant possible la simulation d'assemblées de particules en interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) à partir des équations fondamentales de la physique. Cette "physique numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...)" a ainsi permis de comprendre comment les fluides s'organisent et évoluent au niveau moléculaire, et comment de ces caractéristiques microscopiques émergent les propriétés macroscopiques qu'on leur connaît: densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...), viscosité, tension superficielle (À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux...), etc.

Dans de nombreux cas, les équations de la physique classique sont suffisantes pour obtenir d'excellentes prédictions pour les propriétés thermodynamiques et dynamiques des fluides simples jusqu'aux mélanges complexes de polymères. Cependant, dans certains cas, un traitement quantique des interactions moléculaires s'avère nécessaire quand par exemple les conditions de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) et/ou de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) deviennent exceptionnelles, ou quand des signatures spécifiquement quantiques échappent à la description simplifiée de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) classique.

Malgré la familiarité que nous en avons, et son abondance partout sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...), l'eau est un parfait exemple où cette complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) quantique se fait jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...): les interactions entre molécules ont deux visages, étant pour une part semblables aux attractions dites de van der Waals, génériques entre molécules, et pour une autre part très spécifiques de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) H2O, directionnelles et sélectives, les liaisons dites "hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.)", car reliant temporairement les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) H d'une molécule à l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de...) O d'une molécule voisine. Ce caractère "bicéphale" des interactions est d'origine purement quantique et impacte les propriétés macroscopiques de l'eau, la plus connue étant sans doute l'anormale plus faible densité de la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) d'eau par rapport à l'eau liquide qui préserve la vie (La vie est le nom donné :) dans les lacs des régions froides.

Quand la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) devient un ingrédient nécessaire de la description physique, le travail de simulation subit un véritable saut de complexité, et vient défier encore aujourd'hui la puissance des plus grands ordinateurs.

Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...), des chercheurs et des chercheuses de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) matière (ILM, CNRS/Université Claude Bernard (Claude Bernard, né le 12 juillet 1813 à Saint-Julien (Rhône) et mort le...) Lyon 1), en collaboration avec des scientifiques de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Zürich viennent de mener une importante campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés...) de simulations quantiques sur l'eau liquide pour une large gamme de températures. Ils montrent que les ordinateurs sont aujourd'hui assez puissants pour que les schémas de calcul quantique utilisés par les physiciennes et physiciens (dont la "théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) de la fonctionnelle (En mathématiques, le terme fonctionnelle se réfère à certaines fonctions....) densité", ou DFT) puissent rendre compte quantitativement de la viscosité de l'eau et de ses propriétés de diffusion, à partir d'une approche ab initio.

Leurs calculs permettent également de hiérarchiser les différentes approches de DFT connues, certains schémas d'approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) échouant même à décrire la viscosité de l'eau à toute température. Enfin, ils montrent que les propriétés dynamiques de l'eau peuvent se déduire de l'analyse de l'entropie (En thermodynamique, l'entropie est une fonction d'état introduite en 1865 par Rudolf Clausius...) du liquide à l'échelle de quelques molécules, ce qui permet d'accélérer significativement leur calcul, les propriétés structurales étant plus rapides à calculer que les grandeurs essentiellement dynamiques.

L'enjeu est important, la possibilité de décrire fidèlement l'eau, dans sa structure et sa dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...), étant par exemple une question cruciale pour le progrès de la compréhension des écoulements nanofluidiques. Ces résultats sont publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences.

Références:
Connection between water's dynamical and structural properties: Insights from ab initio simulations.
C. Herrero, M. Pauletti, G. Tocci, M. Iannuzzi, L. Joly; PNAS, paru le 19 mai 2022.
DOI: 10.1073/pnas.2121641119
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