Voici la
traduction d’un article qui va me
ramener très loin dans les années
ou j’étudiais les propriétés de
substances très poreuses qui servent à séparer les isotopes de l’uranium et
sont avides de toutes humidités !!!Je n’en dirai pas plus : ces
barrières sont classées secret défense !
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The shape of
water: What water molecules look like on the surface of materials
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La forme de l'eau: à quoi ressemblent les
molécules d'eau à la surface des matériaux
par
l'Université des sciences de Tokyo
La
combinaison de techniques d'analyse de données avec des simulations de
dynamique moléculaire peut nous aider à comprendre la structure de l'eau adsorbée
sur les surfaces des matériaux. Crédit: Université des sciences de Tokyo
Comprendre
les diverses interactions et structures moléculaires qui se produisent entre
les molécules d'eau de surface permettrait aux scientifiques et aux ingénieurs
de développer toutes sortes de nouveaux matériaux hydrophobes / hydrophiles ou
d'améliorer ceux existants. Par exemple, la friction causée par l'eau sur les
navires pourrait être réduite grâce à l'ingénierie des matériaux, conduisant à
une plus grande efficacité. D'autres applications incluent, mais sans s'y limiter,
les implants médicaux et les surfaces antigivrantes pour avions. Cependant, les
phénomènes qui se produisent dans les eaux de surface sont si compliqués que
l'Université des sciences de Tokyo, au Japon, a créé un centre de recherche
dédié, appelé "Water Frontier Science and Technology", où divers
groupes de recherche abordent ce problème sous différents angles (analyse
théorique, études expérimentales, développement de matériaux, etc.). Le
professeur Takahiro Yamamoto dirige un groupe de scientifiques dans ce centre,
et ils essaient de résoudre ce mystère en simulant les structures
microscopiques, les propriétés et les fonctions de l'eau à la surface des
matériaux.
Pour cette
étude en particulier, publiée dans le Japanese Journal of Applied Physics, les
chercheurs de l'Université des sciences de Tokyo, en collaboration avec des
chercheurs de la Division des solutions scientifiques, Mizuho Information &
Research Institute, Inc., se sont concentrés sur les interactions entre l'eau
les molécules et le graphène, un matériau à base de carbone neutre de charge et qui peut être rendu atomiquement plat.
"L'eau de surface sur les nanomatériaux de carbone tels que le graphène a
attiré beaucoup d'attention car les propriétés de ces matériaux les rendent
idéales pour étudier la structure microscopique des eaux de surface",
explique le professeur Yamamoto. Il avait déjà été souligné dans des études
précédentes que les molécules d'eau sur le graphène avaient tendance à former
des formes polygonales stables (2-D) à la fois dans l'eau de surface et dans
l'eau "libre" (molécules d'eau éloignées de la surface du matériau).
De plus, il avait été noté que la probabilité de trouver ces structures était
radicalement différente dans l'eau de surface que dans l'eau libre. Cependant,
ces différences entre l'eau de surface et l'eau libre doivent être caractérisées,
et la transition entre les deux est difficile à analyser en utilisant des
méthodes de simulation conventionnelles.
Compte tenu
de cette situation, l'équipe de recherche a décidé de combiner une méthode
tirée de la science des données, appelée homologie persistante (PH), avec des
simulations de la dynamique moléculaire. Le PH permet de caractériser les
structures de données, y compris celles contenues dans les images / graphiques,
mais il peut également être utilisé en science des matériaux pour trouver des
structures 3D stables entre les molécules. "Notre étude représente la
première fois où le PH a été utilisé
pour une analyse structurale des molécules d'eau", fait remarquer le
professeur Yamamoto. Grâce à cette stratégie, les chercheurs ont pu avoir une
meilleure idée de ce qui arrive aux molécules d'eau de surface à mesure que
davantage de couches d'eau sont ajoutées.
Lorsqu'une
seule couche de molécules d'eau est déposée sur le graphène, les molécules
d'eau s'alignent de sorte que leurs atomes d'hydrogène forment des structures
polygonales stables avec différents nombres de côtés par le biais de liaisons
hydrogène. Cela «fixe» l'orientation et la position relative de ces molécules
d'eau de première couche, qui forment maintenant des formes parallèles à la
couche de graphène. Si une deuxième couche de molécules d'eau est ajoutée, les
molécules des première et deuxième couches forment des structures 3D appelées
tétraèdres, qui ressemblent à une pyramide mais avec une base triangulaire.
Curieusement, ces tétraèdres pointent principalement vers le bas (vers la
couche de graphène), car cette orientation est "énergétiquement
favorable". En d'autres termes, l'ordre de la première couche se traduit
par la seconde pour former ces structures 3D avec une orientation cohérente.
Cependant, à mesure qu'une troisième couche et plus sont ajoutées, les
tétraèdres qui se forment ne pointent pas nécessairement vers le bas et
semblent plutôt libres de pointer dans n'importe quelle direction, influencés
par les forces environnantes. "Ces résultats confirment que le croisement
entre l'eau de surface et l'eau libre se produit dans seulement trois couches
d'eau", explique le professeur Yamamoto.
Les
chercheurs ont fourni une vidéo de l'une de leurs simulations où ces structures
2D et 3D sont mises en évidence, ce qui permet de comprendre l'image complète.
"Notre étude est un bon exemple de l'application de techniques modernes
d'analyse de données pour obtenir des informations nouvelles et
importantes", ajoute le professeur Yamamoto. De plus, ces prévisions ne
devraient pas être difficiles à mesurer expérimentalement sur le graphène grâce
à des techniques de microscopie à force atomique, ce qui confirmerait sans
aucun doute l'existence de ces structures et validerait davantage la
combinaison des techniques utilisées. Le professeur Yamamoto conclut:
""Bien que le graphène soit une surface assez simple et que nous
puissions nous attendre à des structures aquatiques plus compliquées sur
d'autres types de matériaux, notre étude fournit un point de départ pour des
discussions sur des effets de surface plus réalistes, et nous espérons qu'il
conduira au contrôle des propriétés de la surface."
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Explore further
Water, water everywhere—and it's weirder than you
think
More information: Koichiro Kato et al, Discovery of
new microscopic structures in surface water on graphene using data science,
Japanese Journal of Applied Physics (2019). DOI: 10.7567/1347-4065/ab6564
Provided by
Tokyo University of Science
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MES
COMMENTAIRESl
Lorsque l’on
doit mettre en œuvre des substances solides extrêmement poreuses pour des emplois en formes
en production , puis en stockage et ensuite en utilisation professionnelle ,les paramètres les plus importants sont : l1 la surface spécifique ( la surface de la monocouche d’azote adsorbée mesurée par la méthode BRUNAUER EMMET ET ETELLER qui déterminera le rayon de pore moyen du solide
séparatif ;2l affinité de la substance avec l’eau et le taux d’humidité
atmosphérique ///
J’étais donc jadis allé consulter le Professeur
ZETTLEMOYER aux USA dont l’article : « Why substances
are hydophobic ? Était reconnu
il est clair
que le travail ci-dessus n’est pas une expérimentation japonaise mais
une construction prédictive qui essaie
de différencier la morphologie de la première monocouche adsorbée des suivantes , superposées …Et le graphène par son quadrillage de carbone hexagonal et
bien plat est le premier modèle le plus simple
que l’on puisse se procurer ….
L’article raconte comment marier les
structures en v de H20 avec les
sites en c6 hexagonaux de la première monocouche et comment ensuite les empilements successifs déformeraient la géométrie de l’arrangement
initial
Mais ma question est : pourquoi ne l’ont-ils
pas vérifié ?
Son idée est
très intéressante et nouvelle car les études de monocouche adsorbée par thermo gravimétrie sur
graphène sont difficiles
Bien entendu nos lecteurs savent que l’emploi
du carbone est incompatible avec les
propriétés chimiques de l’hexafluorure d’uranium qui est le gaz industriel
utilisé pour la séparation isotopique
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