L’eau n’est pas seulement un solvant universel qui reste insensible à ses interactions. De nouvelles publications de la North Carolina State University montrent que l’eau peut modifier ses caractéristiques de solubilité en fonction de ce avec quoi elle interagit. Plus précisément, lorsque l’eau interagit avec la cellulose, elle peut s’empiler dans des coques en couches pour contrôler les réactions chimiques à l’intérieur et les propriétés physiques du matériau. Le travail a des implications pour une conception plus durable et efficace des produits à base de cellulose.
« La cellulose est le biopolymère le plus abondant au monde, et elle est utilisée dans des applications allant des bandages à l’électronique », explique Lucian Lucia, professeur de biomatériaux forestiers et de chimie à NC State et auteur correspondant d’une nouvelle étude dans Matter. « Mais le traitement de la cellulose a été principalement effectué par essais et erreurs, et certains d’entre eux utilisent des produits chimiques incroyablement agressifs. Pour trouver de meilleures façons de traiter la cellulose, nous devons comprendre ses interactions les plus fondamentales, par exemple avec l’eau. »
Pour ce faire, il a travaillé avec son collègue Jim Martin, professeur de chimie à NC State, qui étudie les propriétés fondamentales de l’eau en tant que solvant.
« L’eau a la capacité étonnante de changer de caractéristiques en fonction de ce avec quoi elle se trouve, ce qui lui confère une large gamme de caractéristiques de solubilité », déclare Martin. Martin est l’auteur d’un article d’opinion dans Matter qui accompagne l’étude de Lucia.
« Nous changeons la nature de l’eau par ce que nous y dissolvons et par les concentrations de ces solutés dans l’eau », explique Martin. « Pensez au continuum entre le Kool-Aid et les bonbons durs. Vous commencez avec le sucre. Dans le Kool-Aid, le sucre est complètement dissous. Au fur et à mesure que vous retirez l’eau, vous obtenez de la tire, puis des bonbons durs, puis de nouveau du sucre cristallin. »
« Nous savons que l’eau est essentielle à la façon dont la cellulose est déposée », déclare Lucia. « Ainsi, dans cette étude, nous avons sondé comment il s’oriente et joue un rôle réactif dans l’atténuation ou l’optimisation de la chimie. »
Les chercheurs ont manipulé physiquement différents types de fibres de bois et ont observé comment l’eau se liait à elle-même et à d’autres molécules dans les structures résultantes. Ils ont constaté qu’à des teneurs en eau plus faibles, la distribution de l’eau et les interactions moléculaires qui en résultent entre l’eau et les fibres créent des structures de pontage dans le matériau qui lui font perdre sa flexibilité.
En fait, ils ont vu que l’eau peut se « cacher » dans le réseau cellulosique, formant de fortes liaisons hydrogène. Cette liaison dicte à son tour l’étanchéité ou le relâchement des structures de pontage.
« L’eau forme des coquilles autour des fibres qui peuvent s’empiler, comme une poupée russe gigogne », explique Martin. « Moins il y a de coques ou de couches, plus les fibres sont dures. Mais lorsque vous ajoutez plus de couches, la connexion entre les fibres s’éloigne et le matériau devient plus doux. »
Les chercheurs espèrent explorer la variété des formes de liaisons d’eau au sein de ces structures dans des travaux futurs.
« L’étude de ces interactions au niveau moléculaire ouvre la voie à la manipulation de l’eau dans la cellulose pour concevoir de meilleurs produits et processus », déclare Lucian. « Comprendre ce qui se passe à partir de principes fondamentaux nous permet de concevoir des approches qui tirent parti des propriétés de l’eau pour tout, de l’administration de médicaments à la conception d’électronique. »
