L'eau dans les nanopores : couche par couche ou d'un coup express
Dans une fente étroite entre deux plaques, l'eau de l'air humide se rassemble d'elle-même : c'est la condensation capillaire. Si la fente ne fait que quelques nanomètres de large, l'eau ne se comporte plus comme un liquide continu : chaque molécule compte. Mais comment une telle fente se remplit-elle – couche par couche ou d'un seul coup – restait jusqu'ici incertain.
Les chercheurs ont fabriqué des capillaires à partir de couches de matériau d'un atome d'épaisseur et ont suivi, à l'aide d'un microscope à force atomique, comment les parois se courbent lors de l'entrée de l'eau. Les parois flexibles laissaient entrer l'eau progressivement : chaque nouvelle couche de molécules ajoutait environ 0,3 nanomètre à l'épaisseur du film d'eau. Les parois rigides, en revanche, se remplissaient brusquement, d'un seul coup.
La différence s'explique par la lutte entre deux forces : l'énergie nécessaire pour courber la paroi et l'interaction de l'eau avec la paroi, qui varie selon la distance. Lorsque la paroi se plie facilement, il lui est plus avantageux de laisser entrer l'eau couche par couche, en suivant le relief ondulé de l'interaction. Une paroi rigide ne peut pas se courber, donc l'eau s'engouffre d'un coup dès que le gain de remplissage dépasse la résistance.
Cette découverte montre que la nature moléculaire de l'eau peut modifier radicalement les phénomènes capillaires habituels – de l'humidification du sol au fonctionnement des dispositifs microfluidiques. Et le choix entre un remplissage progressif et un remplissage brutal ne dépend que de la souplesse des parois.
L'épaisseur d'une couche de molécules d'eau est d'environ 0,3 nanomètre. C'est dix mille fois plus fin qu'un cheveu humain.