De l'eau qui ne se transforme jamais en glace
Existe-t-il de l'eau qui ne gèle pas en glace même à moins 263 degrés Celsius ? Oui, cela existe, affirment des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich. C'est le cas lorsqu'elle est "piégée" dans des canaux de quelques nanomètres d'épaisseur constitués de lipides.
Fabriquer des glaçons est simple : il suffit de prendre un moule à glaçons en plastique, comme on en trouve dans la plupart des ménages, de le remplir d'eau et de le placer au congélateur. Il ne faut pas longtemps pour que l'eau se cristallise et se transforme en glace.
Si l'on analysait la structure cristalline de la glace, on s'apercevrait que les molécules d'eau se sont organisées en structures réticulaires tridimensionnelles régulières. Dans l'eau, en revanche, les molécules sont désordonnées, ce qui explique que l'eau coule.
L'eau à l'état de verre
Des chimistes et physiciens de l'ETH Zurich et de l'Université de Zurich, réunis autour des professeurs Raffaele Mezzenga et Ehud Landau, ont désormais trouvé un moyen inhabituel d'empêcher l'eau de former des cristaux de glace, même à très basse température, et de conserver ainsi son état désordonné.
Les chercheurs ont d'abord conçu et synthétisé une nouvelle classe de lipides (molécules de graisse), créant ainsi un nouveau type de matériau "mou". Dans cette phase dite de mésophase lipidique, les lipides s'auto-organisent automatiquement et s'assemblent en membranes de la même manière que les molécules de graisse naturelles. Celles-ci s'organisent en formes régulières, comme un réseau de canaux réticulés de moins d'un nanomètre de diamètre. La température, la teneur en eau et la nouvelle structure des molécules de lipides déterminent la structure que prend la mésophase lipidique.
Pas de place pour les cristaux d'eau
L'astuce est qu'il n'y a pas de place pour la formation de cristaux dans les canaux étroits ; l'eau ne peut donc pas se cristalliser, même aux températures les plus basses, contrairement à ce qui se passe dans les glaçons. Les lipides ne gèlent pas non plus.
Les chercheurs ont même réussi à refroidir une mésophase lipidique composée d'un monoacylglycérol chimiquement modifié dans de l'hélium liquide jusqu'à moins 263 degrés Celsius, soit seulement 10 degrés au-dessus du zéro absolu, sans que des cristaux de glace ne se forment. L'eau est devenue vitreuse à cette température, comme les chercheurs ont pu le démontrer et le confirmer par une simulation. L'étude correspondante sur ce comportement inhabituel de l'eau vient d'être publiée dans la revue spécialisée Nature Nanotechnology.
"Ce qui est important, c'est le rapport entre les lipides et l'eau", explique Raffaele Mezzenga, professeur d'alimentation et de matériaux mous à l'ETH Zurich. La teneur en eau du mélange détermine à quelles températures la géométrie de la mésophase change. Si le mélange contient par exemple 12 pour cent d'eau en volume, la structure de la mésophase change à environ moins 15 degrés. Le labyrinthe cubique devient une structure stratifiée.
Protection naturelle contre le gel par des bactéries
"Le plus difficile dans le développement de ces lipides est leur synthèse et leur purification", explique Ehud Landau, professeur de chimie à l'Université de Zurich. Cela est dû au fait que les molécules de lipides sont composées de deux parties, l'une hydrophobe (qui évite l'eau) et l'autre hydrophile (qui aime l'eau). "Cela rend le travail avec elles extrêmement difficile".
Le matériau mou qui se forme à partir des membranes lipidiques et de l'eau possède une structure complexe. Elle est conçue de manière à minimiser le contact des parties hydrophobes avec l'eau et à maximiser la surface de contact entre les parties hydrophiles et l'eau.
Les membranes de certaines bactéries ont servi de modèle pour le développement des nouvelles molécules de graisse. Celles-ci produisent une classe spéciale de lipides qui s'organisent également de manière autonome et emprisonnent naturellement de l'eau. Celle-ci permet aux micro-organismes de survivre dans des habitats très froids.
"Ce qui est nouveau dans nos lipides, c'est que des anneaux de carbone tripartites ont été incorporés à des positions spécifiques des parties hydrophobes de la molécule", explique Landau. "Cela entraîne une courbure des lipides, ce qui crée les minuscules canaux d'eau et empêche les lipides de cristalliser".
Des matériaux mous pour la recherche
Les nouvelles mésophases lipidiques peuvent surtout être utilisées par d'autres chercheurs. De tels matériaux permettent d'isoler et de conserver de grandes biomolécules sans les détruire et de les étudier dans un environnement semblable à une membrane, par exemple au moyen de la cryo-microscopie électronique. Les biologistes utilisent de plus en plus ce procédé pour élucider les structures et les fonctions des grandes biomolécules comme les protéines ou les grands complexes moléculaires.
"En règle générale, les cristaux de glace, tels qu'ils se forment lors de la congélation normale, endommagent et détruisent les membranes et les grandes biomolécules vitales", explique Raffaele Mezzenga. "Cela empêche d'élucider leur structure et leurs fonctions lorsqu'elles interagissent avec les membranes lipidiques".
Ce n'est pas le cas de la nouvelle mésophase. Elle conserve de telles molécules dans leur état d'origine et en même temps que les lipides. "Avec ce travail, nous posons les bases de la manière dont les protéines pourront à l'avenir être conservées dans leur forme initiale à très basse température et interagir avec les membranes lipidiques", explique le professeur de l'ETH.
Cette nouvelle catégorie de matériau souple pourrait également être utilisée dans des applications où l'eau ne doit pas geler. "Les applications exotiques n'étaient toutefois pas au premier plan pour nous", explique Mezzenga, "ce qui nous intéressait davantage, c'était de donner à la recherche un nouvel instrument pour faciliter l'étude des structures moléculaires et aussi pour comprendre comment deux composants principaux de la vie - l'eau et la graisse - interagissent l'un avec l'autre à des températures extrêmes et dans des conditions géométriques restreintes".
Référence bibliographique
Salvati Manni L, Assenza S, Duss M, Vallooran JJ, Juranyi F, Jurt S, Zerbe O, Landau EM, Mezzenga R. Le nanoconfinement biomimétique doux favorise l'eau amorphe sur la glace. Nature Nanotechnology. Publié : 08.avril 2019. doi : page externe10.1038/s41565-019-0415-0