Une attraction improbable

L'interface entre l'air et l'eau est chargée négativement. Les nanoparticules dissoutes dans l'eau et chargées négativement devraient donc être repoussées par la surface de l'eau. Mais des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Institut Paul Scherrer (PSI) ont observé exactement le contraire : plus la charge négative des nanoparticules était importante, plus elles se trouvaient proches de l'interface. "Pour nos expériences, nous avons utilisé un pistolet à eau tel qu'on en connaît comme jouet", explique le chef de groupe Matthew Brown du Département de science et ingénierie des matériaux de l'ETH. "Cependant, le diamètre de notre pistolet est inférieur à la largeur d'un cheveu". Et pour étudier ce qui se passe à la surface du jet, les chercheurs ont utilisé une grande installation, la "Source de lumière synchrotron Suisse" (SLS) au PSI à Villigen, qui produit une lumière X particulièrement intense.

Dans leurs expériences, les chercheurs ajoutent des nanoparticules de dioxyde de silicium à l'eau. Une pompe achemine le liquide vers la buse par laquelle sort le jet de quelques micromètres seulement. Le dispositif expérimental est installé au synchrotron de Villigen dans une chambre de mesure placée sous vide. Le liquide doit jaillir de la buse à grande vitesse. "C'est la seule façon d'avoir un jet d'eau continu qui s'écoule librement", explique le scientifique spécialiste des matériaux. "La difficulté est de maintenir ce microjet stable, car si le jet d'eau s'arrête, il gèle immédiatement. Lorsque les rayons X le frappent, ils éjectent des électrons de la surface du jet, ce qui permet de tirer des conclusions sur le matériau. "Une fois arrivé à ce point, notre essai est une expérience normale de physique des solides", explique Matthew Brown.

Équipe internationale

Grâce à la spectroscopie photoélectronique à rayons X, les chercheurs ont réussi à déterminer la répartition des nanoparticules à l'interface entre l'air et l'eau. À l'échelle de quelques rayons atomiques seulement, ils ont pu détecter de petites différences dans la répartition des nanoparticules à l'interface, qu'ils ont pu attribuer à des différences de charge des nanoparticules. Nous sommes le seul groupe à y être parvenu jusqu'à présent", déclare Matthew Brown, "c'est donc une expérience unique en son genre". Le chercheur de l'ETH s'est rendu compte de l'intérêt des spécialistes pour ce travail lorsqu'il a cherché des théoriciens pour interpréter les données mesurées. Des collègues en Suède, aux Etats-Unis et au Canada ont été enthousiasmés par les résultats des mesures et ont immédiatement accepté de participer au projet, raconte Matthew Brown.

Et comment expliquer l'attraction improbable entre les nanoparticules chargées négativement et l'interface chargée négativement ? "C'est compliqué, mais en même temps tout à fait logique", répond le chef de groupe. Les nanoparticules ont un champ électrique puissant qui déclenche une redistribution complexe des ions d'eau, de sorte que la charge passe de négative à positive à la transition entre l'air et l'eau. Le potentiel électrique d'une particule peut atteindre un demi-volt, ajoute Matthew Brown : "C'est très, très important", ce qui permet à la particule de modifier sans effort la structure d'une interface.

Des applications multiples

Le passage de l'air à l'eau est la plus grande interface sur Terre. Les chercheurs espèrent donc que leurs résultats permettront de faire d'autres découvertes fondamentales. Mais leurs résultats s'appliquent également aux interfaces entre l'huile et l'eau ou aux bulles dans les émulsions, telles qu'elles apparaissent par exemple dans les produits cosmétiques, les yaourts ou les colorants. Dans chaque cas, certaines particules stabilisent l'air dans le liquide. "Nous nous intéressons aux bases de ce processus", explique Matthew Brown : "Qu'est-ce qui pousse les particules vers l'interface et qu'est-ce qui les y maintient ?" Grâce à ces connaissances, il sera peut-être possible un jour de déterminer certaines propriétés des matériaux au niveau microscopique à l'aide de particules sur mesure.

Avec leur nouvelle méthode de mesure, les chercheurs veulent même déterminer une grandeur physique qui, selon les manuels, n'était pas mesurable jusqu'à présent : le potentiel électrique de surface d'une particule dans un liquide. Jusqu'à présent, il fallait sécher une particule pour effectuer cette mesure. "Maintenant, nous pouvons l'étudier dans son environnement naturel", explique Matthew Brown. Les chercheurs en espèrent notamment des applications en médecine, lorsque des substances actives liées à des nanoparticules doivent être injectées. "Dans le corps, les particules se trouvent dans un liquide", explique le scientifique des matériaux, "on aimerait alors connaître la structure de la particule dissoute". Mais la connaissance de la structure des nanoparticules pourrait également être utile pour le stockage de l'énergie, le dessalement de l'eau de mer ou la purification des eaux souterraines.