Bien qu’il s’agisse d’un composé chimique omniprésent sur Terre et essentiel, sous sa forme liquide, à tous les organismes vivants, l’eau continue d’attiser la curiosité des scientifiques. Loin d’avoir livré tous ses secrets, l’eau continue de révéler d’étonnantes propriétés. Récemment, une équipe de chimistes a découvert que les deux types de molécules sous lesquels l’eau se retrouve agissent différemment. 

Même si elle nous entoure sous différentes formes, l’eau recèle encore bien des mystères. Les scientifiques n’en cessent de découvrir de nouvelles propriétés ; c’est par exemple le cas de sa dynamique particulière comparée aux autres liquides ou encore l’existence d’un second état liquide. C’est dans ce cadre qu’une équipe de chimistes de l’Université de Bâle, en Suisse, ont mis en évidence qu’outre l’existence de deux types différents de molécules d’eau, l’un se révèle en réalité un bien meilleur réactif que l’autre. Les résultats de la découverte ont été publiés dans la revue Nature Communications.

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Schéma de l’expérience utilisée par les auteurs. Les molécules d’eau sont séparées selon leur spin par des champs électrostatiques, puis réagissent ensuite avec un cristal de N2H+. Crédits : Ardita Kilaj & al.

Pour ce faire, les chercheurs ont appliqué un ensemble de champs électrostatiques sur des molécules d’eau afin de les séparer selon leur spin nucléaire total. Le spin est une propriété quantique intrinsèque des particules sans équivalent classique, bien que souvent assimilé au moment cinétique. La valeur du spin permet de classer les particules du Modèle Standard. Dans une « version » de l’eau, appelée « isomère ortho », le spin combiné des particules composant ses noyaux atomiques s’élève à 1.

Mais il existe une autre version de l’eau appelée « isomère para », dont le spin nucléaire total est nul (égal à zéro). Cette différence de spin entre les deux isomères tend à indiquer qu’ils ne se comportent pas, quantiquement, de la même façon. Ces valeurs de spin ne changeant pas, un volume d’eau quelconque contient donc bien deux isomères différents de la molécule d’eau.

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La molécule d’eau possède deux isomères : un isomère ortho et un isomère para dont les spins (flèches) diffèrent. Crédits : Pr Marchenry

Les chimistes ont ensuite cherché à savoir si cette différence affectait leur capacité à réagir avec d’autres composés chimiques. Pour tester cette hypothèse, ils ont élaboré un cristal composé d’ions calcium et d’ions diazénylium (N2H+). Ils ont ensuite envoyé au cœur du cristal, des isomères ortho et para de molécule d’eau afin qu’ils réagissent avec le diazénylium. Pour finir, ils ont compté, après un certain temps, le nombre d’ions N2H+ restants après réaction avec chacun des isomères, pour savoir lequel réagissait le plus efficacement.

Les résultats ont montré que la façon dont les atomes de l’isomère para s’agençaient, révélait un mécanisme de réaction 23% plus efficace que l’isomère ortho. Une analyse informatique a permis de confirmer ces résultats, indiquant que toutes les molécules d’eau ne se comportent pas de la même manière.

Bien que ces propriétés n’aient aucune incidence sur notre manière de consommer de l’eau, elles demeurent importantes pour les chimistes et les biologistes. En effet, l’eau est le constituant dominant de la vie organique terrestre, et mieux connaître ses caractéristiques permet de mieux cerner le développement de la vie et peut-être même d’ouvrir une voie vers la détermination de son origine.

Cette découverte démontre également la performance toujours plus grande de nos modèles théoriques lorsqu’il s’agit de modéliser des phénomènes quantiques à l’échelle moléculaire. « Plus on peut contrôler les états des molécules impliquées dans une réaction chimique, plus les mécanismes sous-jacents et la dynamique d’une réaction peuvent être étudiés et compris » conclut Stefan Willitsch, chimiste et auteur principal de l’étude.

Source : Nature Communications

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