Alan Eaby, Catharine Esterhuysen et Len Barbour, chimistes supramoléculaires du département de chimie et de science des polymères de l'université de Stellenbosch, qui, avec des collègues polonais, ont participé à une nouvelle étude publiée dans Nature.Crédit: Wiida Basson
Il y a dix ans, un postdoctorant polonais travaillant en Afrique du Sud a remarqué qu'un cristal poreux d'un composé organique inhabituel passait du jaune au rouge en fonction du taux d'humidité. Aujourd'hui, un article publié dans Nature révèle pour la première fois comment ce composé absorbe et libère de la vapeur d'eau quand la température varie de la température ambiante à une température de -70 °C, en raison de la présence de microscopes qui absorbent la vapeur d'eau -70 °C, grâce à des canaux microscopiques, dont chacun a un cent millième du diamètre d'un cheveu humain.
Les chimistes supramoléculaires de l'université de Stellenbosch (SU), en Afrique du Sud, et de l'université Adam Mickiewicz, en Pologne, espèrent que leurs travaux contribueront à la conception de dispositifs économes en énergie pour récupérer l'eau de l'atmosphère dans les régions arides. Leurs résultats pourraient également aider à trouver des solutions pour contrôler l'humidité à l'intérieur des bâtiments.
Les chercheurs ont déjà montré que l'eau piégée dans un nanoconfinement peut rester mobile dans les minuscules passages à des températures inférieures à 0 °C. Cet article est le premier à établir que certains matériaux peuvent également libérer de l'eau à des températures bien inférieures à son point de congélation normal.
"Le cristal est poreux parce que des canaux d'un nanomètre de large sont alignés parallèlement sur sa longueur. Ces nanocanaux sont suffisamment larges pour permettre à l'eau d'entrer et de sortir facilement", explique Alan Eaby, qui a récemment obtenu un doctorat en chimie à l'université de Stellenbosch.
Lorsque le taux d'humidité est faible, le cristal est jaune et ne contient pas d'eau. Lorsque le taux d'humidité dépasse 55 %, il aspire la vapeur d'eau dans ses canaux. Le cristal devient alors rouge, révélant clairement qu'il a absorbé de l'eau. "Le refroidissement du matériau hydraté à une température inférieure à -70 °C solidifie l'eau et lui confère un aspect vitreux. Ce processus de vitrification empêche l'eau de s'écouler et de s'échapper du cristal. Lorsqu'il est réchauffé à une température supérieure à -70 °C, l'eau capturée se dévitrifie, s'écoule et peut s'échapper du cristal", explique M. Eaby.
Le chef de projet, Len Barbour, du département de chimie et de science des polymères de l'université de Stellenbosch, explique qu'il est très inhabituel qu'un matériau qui absorbe facilement l'eau la perde également facilement, et vice versa.
Le nom chimique systématique du composé n'est pas une mince affaire : 13,27,42,44,45,47-hexahydroxy-3,10,17,24,31,38-hexaazaheptacyclo[38.2. 2.212,15.226,29.04, 9.018,23.032,37]octatetraconta-1(42),2,10,12,14,16,24,26,28,30,38, 40,43, 45,47-pentadécaène. On l’a donc surnommé T1.
"Il fait partie d'une classe de composés appelés trianglimines, qui sont constitués d'anneaux triangulaires contenant des parties appelées imines", explique M. Barbour. T1 a été synthétisé par Marcin Kwit, spécialiste en stéréochimie organique à l'université Adam Mickiewicz, en Pologne. L'une des collègues de Kwit, Agnieszka Janiak, a étudié sa structure cristalline dans le laboratoire de Barbour qui, avec ses collègues, étudie ces molécules dans le cadre de leur recherche de matériaux qui piègent les petites molécules, telles que le dioxyde de carbone.
Janiak a remarqué pour la première fois en 2014 que le T1 changeait de couleur en fonction du taux d'humidité. Des recherches plus approfondies ont montré que l'absorption d'eau entraîne un changement subtil de la configuration électronique de la molécule de trianglimine, d'où la transition du jaune au rouge.
Bien que le cristal soit un matériau « auto-indiquant », c'est-à-dire que sa couleur indique s'il contient ou non de l'eau, M. Eaby a voulu visualiser scientifiquement le processus en utilisant des simulations de mécanique moléculaire et une technique appelée cristallographie aux rayons X.
Grâce à la diffraction des rayons X sur un seul cristal, M. Eaby a mis au point un modèle précis de la structure interne du cristal et a pu localiser les sites de fixation de l'eau dans les canaux. Cela lui a permis de créer des animations par ordinateur qui montrent les changements dans la structure du réseau lorsque le cristal et le fluide qu'il contient sont chauffés ou refroidis. Il a ainsi pu visualiser des changements subtils dans la structure du cristal au-dessus et au-dessous de la température de vitrification de l'eau de -70°C.
Grâce à la microscopie optique, Eaby a pu suivre les changements de couleur du cristal et, grâce à la calorimétrie à balayage différentiel, il a pu identifier les changements subtils du flux de chaleur à l'intérieur du cristal en réponse au refroidissement et au chauffage. Des calculs sophistiqués de mécanique quantique, effectués précédemment par Dirkie Myburgh, du département de chimie et de science des polymères de l'université, ont permis d'expliquer le changement de couleur.
"Pour des applications telles que la récupération de l'eau atmosphérique, la communauté des chercheurs s'efforce de trouver des déshydratants économiques qui libèrent l'eau à des températures plus basses, de préférence pas beaucoup plus élevées que la température ambiante", explique Catharine Esterhuysen, l'un des auteurs correspondants.
"Idéalement, seules les sources d'énergie renouvelables devraient être utilisées pour produire de l'eau potable. Les technologies actuelles sont limitées par la quantité d'énergie nécessaire. Il est impératif que les dessiccants utilisés pour la récupération de l'eau atmosphérique libèrent de l'eau en consommant moins d'énergie, par exemple à des températures plus basses, ce qui explique pourquoi le T1 est si prometteur", explique M. Eaby.
