[email protected] : Piéger une Molécule d'Eau dans une Cage de Carbone

Dans un article récemment publié dans Science, un groupe de chimistes japonais annonce avoir réussi à piéger une unique molécule d’eau dans une cage carbonée appelée Fullerène (C60). La molécule d’eau est de nos jours bien connue et tire une grande partie de ses propriétés de sa capacité à engager une liaison hydrogène faible avec d’autres molécules. Cette méthode innovante d’encapsulation d’une molécule unique permettra l’étude d’une seule molécule d’eau isolée de toute liaison hydrogène.

Dans un article récemment publié dans Science, un groupe de chimistes japonais annonce avoir réussi à piéger une unique molécule d’eau dans une cage carbonée appelée Fullerène (C60). La molécule d’eau est de nos jours bien connue et tire une grande partie de ses propriétés de sa capacité à engager une liaison hydrogène faible avec d’autres molécules. Cette méthode innovante d’encapsulation d’une molécule unique permettra l’étude d’une seule molécule d’eau isolée de toute liaison hydrogène.

 

Le fullerène C60

 

Le fullerène C60 est une molécule composée de 60 atomes de carbone de forme sphérique et de 3.7 Angströms de diamètre, soit plus de 400 fois plus petite que le virus du VIH. De façon plus précise, dans le fullerène les atomes de carbone forment successivement des hexagones et des pentagones qui, reliés ensemble, forment une molécule similaire à un ballon de football.

 

Une molécule de fullerène C60. Source : ©Pawel Szczesny -Fotolia.com
Fullerene

 

Alors que des molécules d’eau avaient déjà été piégées dans des espaces de taille nanométrique, notamment dans des nanotubes de carbone, plusieurs méthodes expérimentales similaires (arc électrique, hautes pressions, hautes températures…) permettent d’encapsuler des molécules dans le fullerène.

Notons que le fullerène est absolument insoluble dans l’eau et que l’intérieur de cette molécule est hydrophobique ; c’est-à-dire qu’elle repousse l’eau. Une molécule d’eau ainsi encapsulée serait très stable et isolée des autres molécules d’eau mais pour atteindre cela il est nécessaire de vaincre une incompatibilité évidente entre le fullerène et l’eau.

 

H2[email protected]60

 

Dans un article de Science du 29 juillet 2011, deux chimistes japonais de l’université de Kyoto (Japon), K. Kurotobi et Y. Murata, démontrent l’encapsulation d’une molécule d’eau dans une molécule de fullerène grâce à une méthode appelée l’« approche chirurgicale moléculaire » [1]. Cette approche consiste à créer une ouverture dans une cage de fullerène vide, d’y injecter une ou des molécules de petite taille (H2), puis de la refermer en la laissant intacte. Dans le cas de la molécule d’eau (H2O) de taille relativement élevée (27.5 Angströms soit légèrement plus petite que le fullerène), la difficulté principale est de créer dans les fullerènes une ouverture suffisamment grande pour laisser passer la molécule d’eau –ce qui avait déjà été démontré– puis de réussir à refermer ladite ouverture –ce qui n’a jamais été démontré et semble complexe.

 

Molécules d’eau en interaction -source : ©christophe weibel -Fotolia.com
Goutte d'eau

 

Kurotobi et Murata introduisent une ouverture dans la molécule de fullerène grâce à des réactions chimiques successives permettant de casser les liaisons l‘une après l’autre, sans retirer d’atomes de carbone, ce qui permet de ‘détricoter’ la molécule et de contrôler l’agrandissement de l’ouverture. Cette méthode était déjà auparavant utilisée pour y introduire des molécules de petites tailles telles que l’hydrogène (H2). Ici, certaines des liaisons ‘cassées’ se lient avec des atomes d’oxygène, ce qui stabilise le fullerène ouvert et permet d’obtenir un trou plus grand. La présence de molécules d’oxygène en bord du trou favorise les liaisons hydrogène et crée un environnement susceptible d’attirer une molécule d’eau avec l’aide de conditions élevées de température et de pression. Des réactions chimiques permettent alors de refermer la cage de carbone autour de la molécule d’eau.

La méthode de spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (RMN) permet alors de distinguer si le fullerène contient une molécule d’eau après qu’il ait été refermé. Les résultats montrent un taux de réussite d’encapsulation d’une molécule d’eau de 8% dans les conditions normales et de 40 % sous haute pression (équivalent à 8000 atmosphères terrestres).

Des mesures de monocristaux de H2[email protected]60 (eau encapsulée dans un fullerène) par diffraction de rayons X confirment l’existence de la molécule d’eau encapsulée. De plus, il a été montré que la molécule d’oxygène du H2O se trouvait au centre de la cage de fullerène bien que la molécule d’eau soit libre de bouger dans le fullerène. Cela avait néanmoins déjà été observé pour d’autres espèces encapsulées (Kr et H2) alors que d’autres molécules se retrouvent décentrées (Li). La cage de carbone C60 n’est, quant à elle, pas affectée par la molécule d’eau. Par contre, la présence de la molécule d’eau semble favoriser la séparation des H2[email protected]60 toluènes vides, une démarche qui était pourtant compliquée dans le cas d’autres espèces encapsulées. Cette facilité à les séparer s’explique probablement par le fait que le fullerène (non-polarisé car très symétrique) se voit polarisé par ce traitement de façon similaire à la molécule d’eau qu’il contient désormais.

 

Une méthode innovante pour étudier des molécules isolées

 

Grâce à cette nouvelle méthode, il est possible d’isoler une unique molécule d’une espèce et d’étudier ses propriétés intrinsèques. Dans le cas de l’eau, les liaisons avec les atomes d’hydrogène du milieu modifient les propriétés de la molécule, que ce soit en état liquide ou gazeux. Néanmoins, il a été démontré que la cage de fullerène agit parfois comme un bouclier entravant l’étude de certaines propriétés de la molécule piégée.

En conclusion, cette approche fait partie des efforts de la chimie supramoléculaire, une branche de la chimie étudiant des systèmes complexes formés de ‘briques’ faiblement liées, pour créer des systèmes grâce auxquels il sera possible d’étudier les liaisons fondamentales des systèmes chimiques. D’autres molécules que l’eau pourront sûrement être ainsi isolées et étudiées au cœur du fullerène. Par conséquent, cette découverte permettra des mesures inédites et très précises de molécules isolées de toute interaction avec l’environnement. Encapsulation de nanoparticules, transport in-vivo de médicaments, filtrage de particules, nano-enceintes favorisant les réactions, l’adsorption… Nous voyons ainsi que l’encapsulation est une méthode qui a révolutionné et révolutionnera encore la science. La démarche présentée ici permet en effet de nouvelles études d’une des molécules les mieux connues : l’eau.

 

*C70 existe aussi mais est moins courante que C60.

 

[1] A Single Molecule of Water Encapsulated in Fullerene C60, K. Kurotobi and Y. Murata, Science 333, 613-616 (2011), http://www.sciencemag.org/content/333/6042/613.abstract  

 

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En savoir plus :

 

H2O in a Desert of Carbon Atoms (perspectives), A. L. Bach, Sciencemag 2011, http://www.sciencemag.org/content/333/6042/531