Friction quantique eau-graphène. Crédit : Lucy Reading-Ikkana/Fondation Simons
Des chercheurs confirment la théorie de la friction quantique.
L’eau et le carbone forment un couple quantique : l’écoulement de l’eau sur une surface en carbone est régi par un phénomène inhabituel appelé friction quantique.
Une étude récente apporte la preuve expérimentale que ce phénomène – prédit précédemment par la recherche théorique – se produit à l’interface de l’eau liquide et du graphène, une monocouche d’atomes de carbone. La recherche a été menée à l’aide de techniques ultrarapides avancées.
Ces résultats pourraient déboucher sur des applications dans les processus de purification et de désalinisation de l’eau et peut-être même sur des ordinateurs à base de liquide.
Au cours des 20 dernières années, les scientifiques ont été intrigués par le comportement de l’eau à proximité des surfaces de carbone. Elle peut s’écouler beaucoup plus rapidement que ne le prévoient les théories conventionnelles sur l’écoulement ou former des arrangements étranges tels que la glace carrée.
Aujourd’hui, une équipe internationale de chercheurs de l’Institut Max Plank pour la recherche sur les polymères de Mayence (Allemagne), de l’Institut catalan de nanoscience et de nanotechnologie (ICN2, Espagne) et de l’Université de Manchester (Angleterre), rapporte dans une étude publiée dans Nature Nanotechnology le 22 juin 2023 que l’eau peut interagir directement avec les électrons du carbone : un phénomène quantique très inhabituel dans la dynamique des fluides.
Un liquide, comme l’eau, est constitué de petites molécules qui se déplacent au hasard et se heurtent constamment les unes aux autres. Un solide, en revanche, est constitué d’atomes bien ordonnés qui baignent dans un nuage d’électrons. Les mondes solide et liquide sont supposés interagir uniquement par le biais de collisions entre les molécules du liquide et les atomes du solide : les molécules du liquide ne « voient » pas les électrons du solide.
Néanmoins, il y a un peu plus d’un an, une étude théorique bouleversant le paradigme a proposé qu’à l’interface eau-carbone, les molécules du liquide et les électrons du solide se poussent et se tirent mutuellement, ralentissant l’écoulement du liquide : ce nouvel effet a été appelé friction quantique. Toutefois, la proposition théorique n’a pas fait l’objet d’une vérification expérimentale.
« Nous avons maintenant utilisé des lasers pour voir la friction quantique à l’œuvre », explique l’auteur principal de l’étude, le Dr Nikita Kavokine, chercheur à l’Institut Max Planck de Mayence et à l’Institut Flatiron de New York.
L’équipe a étudié un échantillon de graphène – une monocouche d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille. Ils ont utilisé des impulsions laser rouges ultracourtes (d’une durée de seulement un millionième de milliardième de seconde) pour chauffer instantanément le nuage d’électrons du graphène.
Ils ont ensuite surveillé son refroidissement à l’aide d’impulsions laser térahertz, qui sont sensibles à la température des électrons du graphène. Cette technique est appelée spectroscopie par pompe optique et sonde térahertz (OPTP).
À leur grande surprise, le nuage d’électrons s’est refroidi plus rapidement lorsque le graphène était immergé dans l’eau, tandis que l’immersion du graphène dans l’éthanol ne faisait aucune différence en termes de vitesse de refroidissement.
« Il s’agit d’une nouvelle indication que le couple eau-carbone est en quelque sorte spécial, mais nous devions encore comprendre ce qui se passait exactement », explique Kavokine.
Une explication possible était que les électrons chauds poussent et tirent sur les molécules d’eau pour libérer une partie de leur chaleur : en d’autres termes, ils se refroidissent par friction quantique. Les chercheurs se sont penchés sur la théorie et, en effet, la friction quantique entre l’eau et le graphène pourrait expliquer les données expérimentales.
« Il est fascinant de constater que la dynamique des porteurs du graphène continue de nous surprendre avec des mécanismes inattendus, impliquant cette fois des interactions solide-liquide avec des molécules qui ne sont autres que l’eau omniprésente », commente le professeur Klaas-Jan Tielrooij de l’ICN2 (Espagne) et de l’Université technique d’Eindhoven (Pays-Bas).
La particularité de l’eau est que ses vibrations, appelées hydrons, sont synchronisées avec les vibrations des électrons du graphène, appelées plasmons, de sorte que le transfert de chaleur graphène-eau est amélioré par un effet connu sous le nom de résonance.
Les expériences confirment donc le mécanisme de base de la friction quantique solide-liquide. Cela aura des implications pour les processus de filtration et de désalinisation, dans lesquels la friction quantique pourrait être utilisée pour ajuster les propriétés de perméation des membranes nanoporeuses.
« Nos résultats ne sont pas seulement intéressants pour les physiciens, ils ont également des implications potentielles pour l’électrocatalyse et la photocatalyse à l’interface solide-liquide », déclare Xiaoqing Yu, doctorant à l’Institut Max Planck de Mayence et premier auteur de l’étude.
Cette découverte est le fruit de la combinaison d’un système expérimental, d’un outil de mesure et d’un cadre théorique qui vont rarement de pair. Le principal défi consiste désormais à maîtriser l’interaction eau-électron.
« Notre rêve est d’activer et de désactiver la friction quantique à la demande », explique Kavokine. « Nous pourrions ainsi concevoir des processus de filtration de l’eau plus intelligents, voire des ordinateurs à base de fluides.
Référence : « Electron cooling in graphene enhanced by plasmon-hydron resonance » par Xiaoqing Yu, Alessandro Principi, Klaas-Jan Tielrooij, Mischa Bonn et Nikita Kavokine, 22 juin 2023, Nature Nanotechnology.
DOI: 10.1038/s41565-023-01421-3