L'étude des principes fondamentaux de l'eau en tant que solvant pourrait conduire à des produits plus écologiques

L’eau n’est pas seulement un solvant universel qui reste insensible à ses interactions. De nouvelles publications de l'Université d'État de Caroline du Nord (NC) 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 au sein du matériau et ses propriétés physiques. Ces travaux ont des implications pour une conception plus durable et plus efficace de 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 deune nouvelle étude dans la Matière. « Mais le traitement de la cellulose s'est principalement fait 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 l'étrange capacité de modifier ses caractéristiques en fonction de ce avec quoi elle est mélangée, ce qui lui confère un large éventail de caractéristiques de solubilité », explique Martin. Martin est l'auteur d'un article d'opinion dans Matter qui accompagne l'étude de Lucia.

"Nous modifions la nature de l'eau en fonction de ce que nous y dissolvons et des concentrations de ces solutés dans l'eau", explique Martin. « Pensez au continuum entre le Kool-Aid et les bonbons durs. Vous commencez avec du sucre. Dans 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 », explique Lucia. "Ainsi, dans cette étude, nous avons examiné comment il s'oriente et joue un rôle réactif en atténuant ou en tirant parti 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 au sein des 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 au sein du matériau qui lui font perdre sa flexibilité.

En fait, ils ont constaté que l’eau peut « se cacher » dans le réseau cellulosique, formant ainsi 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 liaisons que l’eau forme au sein de ces structures dans de futurs travaux.

"L'étude de ces interactions au niveau moléculaire ouvre la voie à la manipulation de l'eau présente dans la cellulose pour concevoir de meilleurs produits et processus", explique Lucian. "Comprendre ce qui se passe à partir des principes fondamentaux nous permet de concevoir des approches qui tirent parti des propriétés de l'eau pour tout, depuis l'administration de médicaments jusqu'à la conception de produits électroniques."

Le document de recherche, « Computational and experimental insights into the moléculaire architecture of water-cellulose materials » et l'éditorial « Water under the influence of solutes: on the non-innocence of a universal solvant », paraissent tous deux dans le numéro du 3 mai. édition de Matière. Le travail a été soutenu en partie par la National Science Foundation. Kandoker Samaher Salem, ancien doctorant de NC State, est le premier auteur du document de recherche. Les co-auteurs incluent Nelson Barrios, ancien doctorant de NC State, et Hasan Jameel et Lokendra Pal, professeurs actuels de NC State.

- Ce communiqué de presse a été initialement publié sur le site Web de la North Carolina State University.