L’étude de l’interaction entre la structure des molécules d’eau qui ont été incorporées dans des matériaux stratifiés tels que les argiles et la configuration des ions dans ces matériaux s’est longtemps avérée un grand défi expérimental. Mais les chercheurs ont maintenant utilisé une technique couramment utilisée ailleurs pour mesurer des masses extrêmement minuscules et des interactions moléculaires au niveau nano afin d’observer ces interactions pour la première fois.

Leurs recherches ont été publiées dans Communication Nature le 28 octobre 2022.

De nombreux matériaux prennent une forme en couches à l’échelle microscopique ou nanométrique. Lorsqu’elles sont sèches, les argiles ressemblent par exemple à une série de feuilles empilées les unes sur les autres. Cependant, lorsque de tels matériaux en couches rencontrent de l’eau, cette eau peut être confinée et intégrée dans les interstices ou les trous – ou, plus précisément, les «pores» – entre les couches.

Une telle « hydratation » peut également se produire lorsque des molécules d’eau ou leurs éléments constitutifs, notamment un ion hydroxyde (un ion chargé négativement combinant un seul atome d’oxygène et un seul atome d’hydrogène) sont intégrés dans la structure cristalline du matériau. Ce type de matériau, un « hydrate », n’est pas nécessairement « humide » même si l’eau en fait désormais partie. L’hydratation peut également modifier considérablement la structure et les propriétés du matériau d’origine.

Dans ce « nanoconfinement », les structures d’hydratation – la manière dont les molécules d’eau ou leurs éléments constitutifs s’arrangent – déterminent la capacité du matériau d’origine à stocker des ions (atomes ou groupes d’atomes chargés positivement ou négativement).

Ce stockage d’eau ou de charge signifie que ces matériaux en couches, des argiles conventionnelles aux oxydes métalliques en couches – et, surtout, leurs interactions avec l’eau – ont des applications étendues, de la purification de l’eau au stockage d’énergie.

Cependant, l’étude de l’interaction entre cette structure d’hydratation et la configuration des ions dans le mécanisme de stockage des ions de ces matériaux en couches s’est avérée être un grand défi. Et les efforts pour analyser comment ces structures d’hydratation changent au cours de tout mouvement de ces ions (« transport d’ions ») sont encore plus difficiles.

Des recherches récentes ont montré que ces structures de l’eau et les interactions avec les matériaux en couches jouent un rôle important en donnant à ces derniers leurs capacités élevées de stockage d’ions, qui à leur tour dépendent de la flexibilité des couches qui hébergent l’eau. Dans l’espace entre les couches, tous les pores qui ne sont pas remplis d’ions sont remplis de molécules d’eau à la place, aidant à stabiliser la structure en couches.

« En d’autres termes, les structures de l’eau sont sensibles à la façon dont les ions intercouches sont structurés », a déclaré Katsuya Teshima, auteur correspondant de l’étude et chimiste des matériaux à l’Initiative de recherche pour les supra-matériaux de l’Université de Shinshu. « Et bien que cette configuration ionique dans de nombreuses structures cristallines différentes contrôle le nombre d’ions pouvant être stockés, de telles configurations avaient jusqu’à présent rarement été systématiquement étudiées. »

Le groupe de Teshima s’est donc tourné vers la «microbalance à cristal de quartz avec surveillance de la dissipation d’énergie» (QCM-D) pour les aider dans leurs calculs théoriques. Le QCM-D est essentiellement un instrument qui fonctionne comme une balance qui peut mesurer des masses extrêmement petites et des interactions moléculaires au niveau nano. La technique peut également mesurer de minuscules changements dans la perte d’énergie.

Les chercheurs ont utilisé QCM-D pour démontrer pour la première fois que le changement de structure des molécules d’eau confinées dans le nano-espace des matériaux en couches peut être observé expérimentalement.

Ils l’ont fait en mesurant la « dureté » des matériaux. Ils ont étudié les hydroxydes doubles stratifiés (LDH) d’une classe d’argile chargée négativement. Ils ont découvert que les structures d’hydratation étaient associées au durcissement des LDH lorsqu’une réaction d’échange d’ions se produit (un échange d’un type d’ion avec un type d’ion différent mais avec le même changement).

« En d’autres termes, tout changement dans l’interaction ionique provient du changement dans la structure d’hydratation qui se produit lorsque les ions sont incorporés dans le nano-espace », a ajouté Tomohito Sudare, un collaborateur de l’étude actuellement avec l’Université de Tokyo.

De plus, les chercheurs ont découvert que la structure d’hydratation dépend fortement de la densité de charge (la quantité de charge par unité de volume) du matériau en couches. C’est à son tour ce qui régit en grande partie la capacité de stockage des ions.

Les chercheurs espèrent maintenant appliquer ces méthodes de mesure avec la connaissance de la structure d’hydratation des ions pour concevoir de nouvelles techniques pour améliorer la capacité de stockage des ions des matériaux en couches, ouvrant potentiellement de nouvelles voies pour la séparation des ions et le stockage durable de l’énergie.