Explication : Que sont les microgouttelettes d’eau et pourquoi les chimistes en parlent ?

Explication : Que sont les microgouttelettes d’eau et pourquoi les chimistes en parlent ?

Les chercheurs ont du mal à s’entendre sur les raisons sous-jacentes des taux accélérés et des mécanismes de réaction altérés dans les microgouttelettes d’eau. Voici ce que nous savons et où se situent les questions ouvertes…

Que sont les microgouttelettes d’eau ?

Ce sont exactement ce à quoi elles ressemblent : de très petites gouttelettes d’eau. Une microgouttelette mesure environ 10 μm, soit environ 100 fois plus petite qu’une goutte de pluie.

Les microgouttelettes d’eau sont au centre d’un débat scientifique vif et controversé. Des études suggèrent qu’ils peuvent accélérer la vitesse de nombreuses réactions organiques – dans certains cas jusqu’à 10 000 fois – et déclencher des réactions qui ne se produisent pas dans les solutions aqueuses en vrac. Les implications sont vastes et vont de l’explication de la chimie prébiotique à l’amélioration de la chimie synthétique. Si les chimistes parviennent à mieux les comprendre et à trouver comment étendre les réactions qui les utilisent, les microgouttelettes d’eau pourraient aider les chercheurs à éviter les catalyseurs coûteux ou les températures et pressions élevées lors de la fabrication de nombreux produits chimiques.

Comment générer des microgouttelettes d’eau ?

Il existe différentes manières d’utiliser un nébuliseur de gaz à haute pression ou un humidificateur à ultrasons commercial, qui transforme l’eau en vrac en spray. Une méthode alternative consiste à laisser la vapeur d’eau se condenser sur un substrat très froid. Dans la nature, le déferlement des vagues océaniques et les processus atmosphériques génèrent également des microgouttelettes d’eau.

Voici un exemple de configuration expérimentale développée par Himanshu Mishra et ses collègues de l’Université des sciences et technologies King Abdullah pour générer des microgouttelettes d’eau. Il utilise des tubes concentriques en acier inoxydable : l’eau est poussée à travers le tube intérieur tandis que de l’azote gazeux sous pression est appliqué à travers l’anneau extérieur pour cisailler le liquide. L’azote à écoulement rapide frappant l’eau produit des microgouttelettes

Donnez-moi quelques exemples de réactions que les microgouttelettes pourraient modifier…

Voici une liste de quelques rapports documentant les réactions que les microgouttelettes d’eau semblent déclencher ou accélérer. Certains d’entre eux combinent des microgouttelettes avec un catalyseur traditionnel, mais beaucoup sont décrits comme ne contenant pas de catalyseur. Richard Zare, de l’Université de Standford aux États-Unis, et ses collègues sont à l’origine de la plupart des études, mais ce n’est pas la seule équipe à enquêter sur ce phénomène intrigant.

  • Génération de peroxyde d’hydrogène
  • Oxydation du méthane
  • Dégradation de l’hexadécane
  • Oxydation de l’acide benzoïque en phénol
  • Amination décarboxylative des acides carboxyliques
  • Réactions de Menshutkin
  • Dégradation viologène
  • Couplage croisé oxydatif C – H / N – H
  • Carbocations aryliques de phénols
  • Convertir le dioxyde de carbone et l’azote en urée
  • Transformez l’azote en ammoniac

Il est encore tôt, mais ces deux derniers exemples sont probablement les plus excitants. Ils suggèrent que les microgouttelettes d’eau pourraient constituer un moyen de synthétiser l’ammoniac à température et pression ambiantes, ce qui pourrait aider les chercheurs à développer une alternative durable au procédé Haber-Bosch.

En quoi les microgouttelettes sont-elles différentes de l’eau en vrac ?

Outre la différence évidente de taille, ce qui distingue les microgouttelettes de la masse est qu’elles possèdent une interface. L’eau en vrac est largement considérée comme servant d’environnement inerte pour de nombreux systèmes chimiques. Cependant, dans les microgouttelettes, la proportion de molécules à la surface des gouttelettes est beaucoup plus grande que dans l’eau en vrac dans un récipient macroscopique, ce qui modifie les propriétés physico-chimiques de l’eau.

Alors, comment les microgouttelettes d’eau accélèrent-elles les réactions chimiques ?

C’est la question à un million de dollars ; il existe plusieurs théories, résultats expérimentaux et simulations informatiques contradictoires concernant les mécanismes par lesquels les microgouttelettes d’eau accélèrent les réactions.

L’évaporation, qui augmente la concentration des réactifs, et le confinement pourraient expliquer pourquoi les vitesses de réaction dans les réactions bimoléculaires sont augmentées par les microgouttelettes d’eau, mais le même raisonnement ne s’appliquerait pas aux réactions unimoléculaires. Beaucoup attribuent donc les vitesses de réaction accélérées aux effets sur la surface des microgouttelettes, notamment la solvatation partielle, l’orientation du réactif, les extrêmes d’acidité ou de basicité de la surface et les champs électriques importants. Cela pourrait être une combinaison de plusieurs facteurs.

On sait que les champs électriques modifient les taux de réaction et la sélectivité, et parfois même les mécanismes de réaction. Une théorie est que les doubles couches électriques, l’alignement des liaisons O – H libres dans les molécules d’eau à l’interface ou le transfert de charge partiel créent un champ électrique à l’interface air-eau. On pense que ce champ électrique est suffisamment puissant pour oxyder les électrons des ions hydroxyde ou d’autres molécules à coque fermée dissoutes dans l’eau, formant ainsi des radicaux hautement réactifs et des électrons libres.

Existe-t-il d’autres théories ?

Oui. L’un des phénomènes de microgouttelettes les plus frappants est qu’elles peuvent former spontanément du peroxyde d’hydrogène. Cependant, cette affirmation est contestée et une prépublication récente attribue cet effet particulier à une interface différente : celle entre les microgouttelettes d’eau et un solide. Ici, on pense que le solide oxyde l’oxygène dissous dans l’eau pour former du peroxyde d’hydrogène. La prépublication rapporte que la tendance des substrats solides à former du peroxyde d’hydrogène est liée à son potentiel électrochimique, le magnésium générant plus de peroxyde d’hydrogène que les plaquettes de silicium.

Pourquoi est-il si difficile de comprendre ce qui se passe ?

Il est difficile de concevoir des expériences de contrôle pour des processus multiphases qui isolent le mécanisme exact responsable des taux de réaction accélérés dans les microgouttelettes d’eau. La taille, la température et la concentration des gouttelettes sont difficiles à maintenir constantes. La quantification des espèces réactionnelles à de faibles concentrations est également un défi et les systèmes sont également sensibles à la contamination. De plus, les simulations qui capturent fidèlement des aspects importants de l’interface air-eau sont exigeantes en termes de calcul.

Dans quelle mesure serait-il pratique d’intensifier une réaction à l’aide de microgouttelettes ?

L’augmentation des réactions dans les microgouttelettes d’eau pourrait s’avérer difficile, voire économiquement non compétitive par rapport aux processus conventionnels à grande échelle, notamment en ce qui concerne l’énergie électrique requise pour créer des brouillards de microgouttelettes. De plus, ils nécessiteraient probablement des volumes incroyablement importants de solvant. Un système qui recycle et pulvérise le solvant fera probablement partie de tout réacteur à grande échelle utilisant des microgouttelettes d’eau.

Avez-vous dit que les microgouttelettes d’eau auraient pu jouer un rôle dans l’origine de la vie ?

De nombreux experts conviennent que les processus à l’interface air-eau ont contribué à accroître la complexité chimique. Par exemple, la recherche montre que les acides aminés abiotiques forment facilement des liaisons amide à l’interface air-eau des microgouttelettes d’eau. Étant donné que ce scénario imite les conditions qui se seraient produites au début de la Terre, il suggère que les aérosols atmosphériques ou les embruns marins auraient pu contribuer à initier la formation des premiers biopolymères.

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