L’eau électrique

Mettez un peu d'eau à côté d'une surface hydrophile (aimant l'eau) et exposez-la à la lumière du soleil, ou même à la lumière d'une ampoule ordinaire : l'eau se charge d'elle-même en électricité. Ceci est la dernière d'une série de découvertes extraordinaires sur l'eau, provenant du laboratoire du bioingénieur Gerald Pollack, à l'Université de Washington à Seattle aux Etats-Unis.

L'eau forme des zones d'exclusion massives, de molécules ordonnées à proximité des surfaces d'un gel

Cela a commencé quand Pollack et son élève Zheng Jian-ming ont découvert que des suspensions de colloïdes et de substances dissoutes sont exclues d'une région qui s'étend de quelques centaines de micromètres sur la surface des gels hydrophiles [1] ] ( Water Forms Massive Exclusion Zones , SiS 23). Une ‘zone d'exclusion' ( EZ ) de cette ampleur est en contradiction totale avec l'hypothèse généralement admise, selon laquelle l'eau interfaciale, se formant à l'interface liquide - solide ou liquide – air, ne peut pas être constituée de plus de quelques couches de molécules d'épaisseur. Au lieu de cela, ce qui a été observé est d'un million de couches ou plus.

Des zones d'exclusion similaires ont été trouvées à côté d'une surface hydrophile, y compris sur des surfaces enduites avec une monocouche de molécules hydrophiles, ainsi qu'autour des perles de résine échangeuse d'ions [2] (voir Fig. 1). La charge électrique semble être importante, puisque la zone d'exclusion EZ n'a pas réussi à se former autour des perles de résines épuisées. Bien que la zone d'exclusion EZ puisse se former dans l'eau pure, elle est renforcée et stabilisée par de faibles concentrations de tampon (2 à 10 mM à pH 7).

Figure 1. Zones d'exclusion de millions de couches de molécules d'eau profonde claire, des microsphères en suspension formées autour de perles de résine chargées.

La zone d'exclusion EZ a été caractérisée par plusieurs méthodes spectroscopiques, qui ont montré qu'elle avait des caractéristiques très différentes de l' eau libre (en vrac), ce qui suggère une phase cristalline très organisée où les molécules sont moins libres de se déplacer [3, 4] ] ( Liquid Crystalline Water at the Interface , SiS 38).

Le spectre d'absorption UV et visible a donné un seul pic d'absorption à ~ 270 nm dans la région UV, qui est totalement absent dans la phase libre (non liée chimiquement ou en vrac). L'enregistrement d'émission infrarouge a montré que l' EZ émet très peu, en comparaison avec de l'eau libre, comme on pouvait s'y attendre compte tenu de la mobilité réduite des molécules d'eau.

L' imagerie par résonance magnétique a donné, de façon similaire, une cartographie avec un temps de relaxation transversale (T 2 ) de 25,4 + 1 ms, qui est donc plus court que les 27,1 + 0,4 ms enregistrés avec la phase d'eau libre, ce qui est encore une fois révélateur d'une restriction des mouvements.

Une telle coexistence de phases nettement différentes a été démontrée en 1999 par le chercheur japonais Norio Ise, spécialiste de l'eau, et ses collègues de l'Université de Kyoto au Japon [5] ] ( Water and Colloid Crystals , SiS 32) au moyen d'une dispersion de particules de latex colloïdales dans l'eau et à l'aide d'un enregistrement vidéo numérique. Ils ont capturé une phase aléatoire, dans laquelle le mouvement thermique des particules est de l'ampleur prévue, juste à côté d'une phase semblable à celle d'un cristal où les particules sont séparées l'une de l'autre régulièrement de plusieurs micromètres et les écarts par rapport à la moyenne de leurs positions sont plus bas, d'un ordre de grandeur.

L'électricité de l'eau

Le plus surprenant, c'est que Pollack et ses collègues ont découvert que la zone d'exclusion EZ a un potentiel électrique différent de la phase libre, de plus de 100 - 200 mV [6], en fonction de la surface hydrophile. Avec une surface chargée négativement, telle que l'acide polyacrylique ou le Nafion (largement utilisé comme membrane échangeuse de protons), le potentiel est négatif par rapport à l'eau libre située à l'écart de l'EZ.

En même temps, la concentration en ions hydrogène (protons, H + ) est élevée juste à l'extérieur de l'EZ, selon un gradient décroissant lorsque la distance s'accroît [4].

Cela indique clairement que la formation de l'EZ est accompagnée d'une séparation des charges électriques positives et négatives, ce qui a conduit à la constitution d'un potentiel électrique entre l' EZ et l'eau libre. En effet, l'eau est devenue une pile électrique et peut fournir de l'électricité à travers un circuit externe.

La séparation de H + (protons) d'avec e - (électrons) constitue la première étape de la photosynthèse des plantes vertes qui fournit de l'énergie pour la plus grande partie de la biosphère [7] (voir Harvesting Energy from Sunlight with Artificial Photosynthesis , SiS 43). Mais d'où provient l'énergie dans le cas de la couche d'exclusion EZ ? Il s'avère que cela apparaît de plus en plus similaire au processus de la la photosynthèse.

L'eau chargée de lumière

Un indice est apparu après avoir laissé par inadvertance la chambre expérimentale avec l'EZ sous le microscope pendant la nuit. Le lendemain matin, l' EZ avait diminué considérablement. Mais après avoir remis l'allumage au microscope, l' EZ a commencé à croître de nouveau immédiatement, en se restructurant d'elle-même à sa taille antérieure en quelques minutes. L'énergie nécessaire pour la formation d' EZ provient de la lumière, comme dans la photosynthèse, mais elle peut utiliser la partie basse énergie du spectre solaire, ce que ne peut pas faire la photosynthèse.

Bien que la totalité du spectre de la lumière visible semble efficace pour faire croître l' EZ, la partie la plus efficace se situe dans l'infrarouge, avec un pic à ~ 3.100 nm. Après une exposition pendant 10 minutes à cette longueur d'onde, la largeur de la zone d'exclusion s'étend 7 fois plus, et après une heure d'exposition, l'expansion a été de 6 fois plus importante [8].

Après que la lumière fut éteinte, l' EZ est restée constante pendant environ 30 minutes avant de commencer à diminuer, pour atteindre la moitié de son niveau en 15 minutes environ.

Lorsque les rayonnements UV et lumière visible ont été testés, un sommet dans le degré d'expansion de l' EZ a été détecté à 270 nm dans la région des UV, correspondant à la caractéristique d'absorption maximale d' EZ qui a été identifiée auparavant. Toutefois, comme la puissance optique utilisée dans la région UV et visible, était 600 fois plus élevée que dans la région IR, l'effet le plus important a été identifié dans la région IR, en particulier à 3.100 nm.

Le mécanisme de formation de la zone d'exclusion EZ est encore inconnu. Mais les deux longueurs d'ondes qui permettent de développer l' EZ le plus efficacement peuvent nous donner quelques indices. Les 270 nm UV sont proches de 250 nm (~ 5 eV) qui est requis pour ioniser l'eau dans des conditions standard et en tenant compte de l'hydratation des ions qui en résultent [9].

D'autre part, le pic de 3.100 nm est proche du segment OH de l' anne au hexamérique identifié par la spectroscopie infrarouge comme l'espèce les plus abondante de prédissociation des grandes structures en clusters [10], et aussi dans des matrices de néon obtenues par spectroscopie infrarouge [11].

Ces résultats suggèrent que la photo-excitation des anne aux hexamèriques et la photo-ionisation, suivies par l'éjection des protons, jouent un rôle en synergie dans le montage de la phase de l' EZ. Pollack et ses collègues pensent que le rayonnement infrarouge, bien que normalement insuffisant pour briser les liaisons OH, peut néanmoins s'exercer par la dissociation induite par résonance à partir de grands réseaux de liaisons hydrogènes.

Implications des résultats de cette recherche

Quelle est la signification de ces résultats à l'extérieur du laboratoire ? La source de 3.100 nm IR est environ 0,6 pour cent de l'ensemble de l'énergie du soleil, qui est de ~ 8,4 W / m 2 . Par comparaison, la densité de puissance de la source de lumière LED utilisée dans le laboratoire était de 1,2 mW / m 2 , soit près de sept mille fois plus faible. Chai Binghua, Yoo Hyok et Pollack supposent que la nature peut contenir un ensemble de zones d'exclusion d'eau beaucoup plus important que la plupart des gens ne le pensent. En d'autres termes, une fraction appréciable de l'énergie du soleil peut être stockée comme de l'eau chargée des zones d'exclusion EZ. Ce que cela signifie pour la vie aquatique reste une grande question.

La terre est connue pour avoir une grande surface de charge négative, entraînant un champ électrique de l'ordre de 100 V / m sur la surface terrestre. Peut-être que cela découle de l'eau à la surface de la terre, sous l'influence de l'énergie rayonnante en provenance du soleil.

Enfin, la fréquence des cas des zones d'exclusion EZ à l'intérieur des cellules des tissus vivants est supposée avoir un effet drastique sur la bioénergétique. Après tout, les organismes vivants sont alimentés par rien moins que des flux de protons et d'électrons délicieusement orchestrés, ce qui leur permet de faire tout ce que signifie le fait d'être en vie [10] (voir The Rainbow and the Worm, The Physics of Organisms , I-SIS publication).

Article first published 25/06/09

References

1. Ho MW. Water forms massive exclusion zones. Science in Society 23, 50-51, 2004.
2. Zheng JM, Wexler A and Pollack GH. Effects of buffers on aqueous solute-exclusion zones around ion-exchange resins. J Colloid and Interface Sci 2009, 511-4.
3. Zheng J-M, Chin W-C, Khijniak E, Khijniak E Jr, Pollack GH. Surfaces and interfacial water: evidence that hydrophilic surfaces have long-range impact. Adv Coll Interface Sci 2006, 127, 19-27
4. Ho MW. Liquid crystalline water at the interface, just add sunlight for energy and life. Science in Society 38, 37-39, 2008.
5. Ho MW. Water and colloid crystals. Science in Society 32, 19-20, 2006.
6. Zheng JM and Pollack GH. Solute exclusion and potential distribution near hydrophilic surfaces. In Water and the Cell (Pollack GH, Cameron IL and Wheatley DN, eds.), pp. 165-74, Springer, The Netherlands, 2006.
7. Ho MW. Harvesting energy from sunlight with artificial photosynthesis. Science in Society 43.
8. Chai B, Yoo H and Pollack GH. Effect of radiant energy on near-surface water (preprint, 2009, courtesy of authors).
9. Chaplin M. Water ionization and pH. 26 October 2008, http://www.lsbu.ac.uk/water/ionis.html
10. Steinbach C, Andersson A, Karimirski, Buck U, Buch V and Beu TA. Infrared predissociation spectroscopy of large water clusters: a unique probe of cluster surfaces. J Phy Chem A 2005, 18, 6165-6174.
11. Hirabayashi S and Yamada KMT. The monocyclic water hexamer detected in neo matrices by infrared spectroscopy. Chem Phy Letts 2007. 435, 74-8.
12. Ho MW. The Rainbow and the Worm, the Physics of Organisms, 3^rd ed., World Scientific, Singapore and London, 2008.