Voir le mouvement de protons uniques aux interfaces

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© Vytautas Navikas 2020 EPFL

© Vytautas Navikas 2020 EPFL

Des scientifiques de l’EPFL ont pu observer le déplacement de protons uniques à l’interface entre une surface solide et de l’eau, mettant en lumière les fortes interactions de ces charges avec les surfaces.

Le proton H+, composé d’un unique atome d’hydrogène, est le plus petit et le plus léger des éléments chimiques. Naturellement présents dans l’eau, les protons proviennent de la séparation spontanée d’une très faible fraction des molécules d’eau (H2O). Leur quantité fixe ainsi le caractère acide ou basique de la solution. Dans l’eau, les protons se déplacent en sautant de molécule d’eau en molécule d’eau, ce qui les rend extrêmement mobiles.

Des protons aux interfaces

Dans un volume d’eau, ces déplacements s’avèrent relativement bien compris. Mais proche d’une surface solide, le transport de protons peut être fortement modifié. Il existe cependant très peu d’outils capables de mesurer expérimentalement la dynamique de ces charges à l’interface entre un solide et un liquide. L’étude de Jean Comtet, postdoctorant dans la Faculté des Sciences et Techniques de l’Ingénieur, permet pour la première fois de voir les mouvements de protons à ces interfaces, en descendant à l’échelle ultime du proton et de la charge unique. Ces découvertes, publiée dans Nature Nanotechnology, démontrent que ces charges se déplacent préférentiellement à l’interface entre le solide et le liquide. L’étude a bénéficiée d’une collaboration avec des chercheurs du département de chimie de l’École normale supérieure de Paris qui ont réalisés des simulations.

Les défauts du cristal

Le chercheur a étudié l’interface entre de l’eau et un cristal de nitrure de bore, extrêmement lisse. « Des défauts peuvent être présents à la surface de ce cristal. Nous avons découvert que ces imperfections agissent comme des marqueurs, et émettent de la lumière quand un proton vient se lier à eux », explique Jean Comtet. En utilisant un microscope de super-résolution, le scientifique peut, grâce au signal de fluorescence produit, mesurer la position des défauts avec une très grande résolution d’une dizaine de nanomètres. Mais c’est la dynamique d’activation des défauts, qui s’est révélée la plus intéressante. « Nous avons observé qu’en contact avec l’eau, les défauts à la surface du cristal s’illuminaient de manière successive. Nous avons alors compris que cet allumage provenait du mouvement d’un unique proton, sautant d’un défaut à un autre et générant ainsi un parcours identifiable », explique Jean Comtet.

« Une grande avancée expérimentale »

Ces observations révèlent notamment que les protons se déplacent préférentiellement à l’interface entre le solide et le liquide. « Ils restent mobiles, mais en se maintenant collés à l’interface, précise le scientifique. C’est pour cette raison que nous parvenons à voir ces trajectoires. » « Il s’agit d’une grande avancée expérimentale dans la compréhension de l’interaction entre les charges présentes dans le liquide et les interface solide », relève Aleksandra Radenovic, professeure dans le laboratoire de biologie à l’échelle nanométrique.
« Ce que nous avons pu observer sur ce système modèle peut être extrapolé à beaucoup d’autres matériaux et problématiques. Que cela soit en biologie proche des membranes cellulaires, pour la filtration ou encore les batteries, il existe de nombreux domaines et applications pour lesquels ces découvertes peuvent se montrer importantes », conclut Jean Comtet.

Références

Comtet J., Grosjean B., Glushkov E., Avsar A., Watanabe K., Taniguchi T., Vuilleumier R., Bocquet M.-L., Radenovic A Direct Observation of Water Mediated Single Proton Transport between HBN Surface Defects. Nature Nanotechnology 2020.

DOI : 10.1038/s41565-020-0695-4