Imager la chimie des surfaces confinées en 3D

Un outil d’imagerie optique qui permet de visualiser la chimie des surfaces en temps réel? C’est ce qu’ont découvert des chercheurs de l’EPFL, du Laboratoire de BioPhotonique fondamentale (LBP). Ils ont notamment cartographié la chimie de la surface interne d’un simple microcapillaire de verre. Le verre y est recouvert de groupes hydroxyles (-OH), qui peuvent perdre un proton (H⁺): c’est une réaction chimique très étudiée et importante en géologie, en chimie, et pour différentes technologies. Une variabilité remarquable des constantes surfaciques de dissociation des groupes OH, d’un facteur allant de 1 à 1 milliard, a été observée dans le capillaire long de 100 micromètres.

Différents processus chimiques dépendent des hétérogénéités des surfaces chimiques, des champs électriques, et des flux. Pour les comprendre, et permettre le développement de nouveaux matériaux et de microtechnologies, les chercheurs du Laboratoire de BioPhotonique fondamentale (LBP) ont conçu un microscope qui peut traquer en temps réel les changements tridimensionnels des structures moléculaires, ainsi que la chimie des systèmes confinés (surfaces courbées, pores, etc). Ce microscope a permis d’obtenir des images de la structure chimique surfacique à l’intérieur du microcapillaire. Des cartes du potentiel de surface ont été recréées à partir des images, ce qui a permis de calculer les constantes de réaction chimiques au niveau de chaque pixel, et de remarquer leur grande variabilité. Ces découvertes ont été publiées dans la revue Science.

L’imagerie par génération de second harmonique
Sylvie Roke, directrice de la Chaire Julia Jacobi de Photomédecine, a développé à la tête du LBP un ensemble unique d’outils optiques pour comprendre l’eau et les surfaces aqueuses à l’échelle nanoscopique, notamment la génération de second harmonique qui convertit deux photons d’une couleur dans une autre. «La génération de second harmonique convertit des photons femtoseconde (i.e. contenus dans des impulsions de lumière de 0,00000000000001 seconde), à la longueur d’onde de 1000 nanomètres, en photons à 500 nanomètres. Elle se produit uniquement aux interfaces», explique-t-elle. Et de poursuivre : «Le seul désavantage est l’efficacité réduite du processus. Néanmoins, en utilisant plusieurs astuces optiques, nous sommes capables d’augmenter à la fois la résolution de l’image (188 nanomètres), et le nombre de photons détectés. Grâce à ce dernier point, le temps d’enregistrement de l’image est diminué d’1 minute à 250 millisecondes.»

Une chimie de surface surprenante

Les chercheurs du groupe ont imagé en temps réel la réaction de déprotonation à l’interface verre/eau à l’intérieur du microcapillaire. La silice, composant du verre, est l’un des minéraux les plus abondants sur Terre, et son interaction avec l’eau influence notre environnement. Les propriétés de l’interface silice/eau ont été beaucoup étudiées, mais il n’y a pas de consensus sur sa réactivité chimique. «Nos données expliquent pourquoi, ajoute Sylvie Roke, la réactivité chimique varie remarquablement à cette interface, même sur une petite portion du capillaire. Nos résultats vont aider à développer de meilleurs modèles théoriques pour comprendre cela. En outre, notre méthode d’imagerie permet d’observer un grand nombre de processus en temps réel comme le fonctionnement de piles à combustible.»

Haut: Image en contraste de phase du microcapillaire, montrant le verre et l’eau. Bas: Image par génération de second harmonique du même microcapillaire, montrant la structure des interfaces à l’intérieur et à l’extérieur du capillaire. La barre d’échelle donne à la fois l’intensité détectée (en nombre de photons) et le potentiel de surface déterminé à partir de cette intensité.
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Source : Optical imaging of surface chemistry and dynamics in confinement, C. Macias-Romero, I. Nahalka, H. I. Okur, S. Roke, Science