Les molécules d’eau ne sautent pas seules
Quel rôle le réseau de liaisons hydrogène des molécules d’eau joue-t-il dans la dynamique de l’eau? De nouvelles recherches soutenues, entre autres, par le projet HyBOP, financé par l’UE, ont apporté une réponse à cette question. Publiée dans la revue «Nature Communications», l’étude met en lumière le lien qui existe entre la réorganisation des réseaux de liaisons hydrogène et la dynamique collective de réorientation dans l’eau liquide. «Le réseau de liaisons hydrogène n’est pas fixe. Il évolue continuellement en raison de fluctuations thermiques et d’autres facteurs qui rompent et forment des liaisons hydrogène individuelles», explique Adu Offei-Danso, auteur principal de l’étude et docteur en physique rattaché au Centre international Abdus-Salam de physique théorique (ICTP), situé en Italie, dans un récent article publié sur le site web de l’ICTP. Il ajoute: «Ces fluctuations du réseau de liaisons hydrogène sont essentielles pour divers processus physiques, chimiques et biologiques qui se déroulent dans l’eau liquide, c’est pourquoi il est fondamental de comprendre leur mécanisme microscopique.»
Isolés ou non?
Il y a plus de dix ans, des chercheurs ont découvert que les rotations des molécules d’eau, dont on pense qu’elles jouent un rôle important dans la dynamique des liaisons hydrogène, ne se produisent pas par petites étapes diffuses, mais impliquent généralement de grands sauts soudains. «On pensait que ces grands sauts angulaires étaient des événements isolés», fait remarquer Ali Hassanali, coauteur de l’étude, titulaire d’un doctorat et également rattaché à l’ICTP. «Lorsque ces rotations soudaines et rapides se produisent, il y a rupture et formation de liaisons hydrogène avec les molécules voisines. Le réseau local de liaisons hydrogène est, par conséquent, altéré.» Cependant, qu’arrive-t-il aux autres molécules d’eau du réseau lorsque ces sauts se produisent? Restent-elles insensibles ou participent-elles activement à un processus davantage collectif? «C’est précisément ce que nous voulions découvrir», déclare Ali Hassanali. Les scientifiques ont réalisé des simulations informatiques de l’eau liquide, adopté des méthodes de physique statistique pour comprendre son comportement collectif et utilisé des techniques de science des données pour éviter ou réduire l’intervention humaine. «Pour démontrer l’existence d’un processus collectif dans la dynamique de réorientation de l’eau, nous devions d’abord identifier une observable capable de refléter le mouvement angulaire soudain des molécules d’eau», note Adu Offei-Danso. L’équipe a utilisé cette observable pour créer un outil qui lui a permis de visualiser un grand nombre de sauts angulaires se produisant simultanément dans le système. «Qui plus est, nous avons découvert qu’ils se produisent de manière hautement orchestrée et coordonnée», observe Adu Offei-Danso. Uriel Morzan, coauteur de l'étude, titulaire d’un doctorat et chercheur principal à l’ICTP, décrit la forte interaction observée par l’équipe entre la rotation angulaire des molécules d’eau et les changements de topologie et de densité dans le réseau de liaisons hydrogène: «Nos résultats indiquent que lorsqu’un saut important se produit, une cascade de fluctuations des liaisons hydrogène se met en place.» Ces fluctuations déclenchent ensuite une vague de petits et de grands sauts angulaires. «Notre analyse montre une réorientation collective ainsi qu’une réorganisation du réseau qui impliquent plusieurs groupes plus importants de molécules voisines réparties dans l’ensemble du système», conclut Alex Rodriguez, coauteur, titulaire d’un doctorat et professeur adjoint à l’université de Trieste. L’étude jette les bases d’une recherche plus approfondie sur le rôle de la dynamique coopérative dans divers processus physiques, chimiques et biologiques. Le projet HyBOP (Hydrogen Bond Networks as Optical Probes), d’une durée de cinq ans, s’achèvera en 2027. Pour plus d’informations, veuillez consulter: projet HyBOP
Mots‑clés
HyBOP, eau, molécule, liaison hydrogène, réseau de liaisons hydrogène, mouvement angulaire
