Morphogénèse de clusters d’eau au sein de cavités nanométriques

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1 Morphogénèse de clusters d’eau au sein de cavités nanométriques
Tectonique Moléculaire du Solide, UMR 7140 Institut Le Bel, 4, Rue Blaise Pascal 67070 Strasbourg Cedex, France Morphogénèse de clusters d’eau au sein de cavités nanométriques Prof. Marc HENRY Tél: Fax: Web: Fun: Collège de France, Paris, 20 Février 2006

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3 Glace, eau liquide, vapeur et eau surfondue

4 Cp = Cv à T = 4°C (liquides normaux: Cp ≈ 1,2·Cv)
25°C: Cp = 75,327 J.mol-1K-1, Cv = 74,539 J.mol-1K-1 aP = 0, K-1 (T = 25°C) kT = 0,4599 GPa-1 (T = 25°C)

5 La dynamique moléculaire révèle la présence de
clusters d’eau dans l’eau liquide... Cluster statique Chaîne dynamique Deux types d’association supramoléculaires...

6 M.W. Mahoney & W.L. Jorgensen, qH(TIP3P) = +0.417, qH(TIP4P) = +0.520
Modèle TIP5P Pour l’eau... M.W. Mahoney & W.L. Jorgensen, J. Chem. Phys., 112 (2000) 8914 Géométrie Liaison H E ≈ 200 meV qH(TIP3P) = , qH(TIP4P) = qH(PACHA) = +0.20

7 Les clusters de la vapeur d’eau...
Teb = 100°C sous pression atmosphérique Modèles structuraux dérivés des spectroscopies infra-rouge et microöndes (Terahertz) F.N. Keutsch & R.J. Saykally Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 98, (2001)

8 Polymérisation par liaison Hydrogène… Le dimère {H2O}2

9 Formation d’un Anneau avec 3 molécules... Trimère cyclique {H2O}3

10 Un autre anneau avec 4 molécules... Carré plan {H2O}4

11 Encore un anneau... Pentagone cyclique {H2O}5 Mais cage {H2O}6 Structures 3D pour n  6

12 On connaît au moins 14 structures cristallines
différentes pour la glace H2O Il existe aussi 3 types de glaces amorphes (LDA, HDA, VHDA) (espace intergalactique)

13 Quantification de la force de liaison hydrogène
dans les polymorphes de la glace non entrelacés…

14 Polymorphes de la glace interlacés...

15 Hydrates de méthane et cages d’eau…
Clathrate hydrates (CH4)  (H2O)20 Eincl. = -1.7(1) kJ.mol-1 EHB = -19.6(2) kJ.mol-1 (CH4)  (H2O)24 Eincl. = +0.3(1) kJ.mol-1 EHB = -20.3(2) kJ.mol-1 Eincl. = -1.4(1) kJ.mol-1 EHB = -22.0(2) kJ.mol-1 Partage de faces: EHB = -26.1(4) kJ.mol-1

16 L’eau liquide est un milieu hautement interconnecté
en équilibre entre des cycles et des chaînes... Durée de vie des clusters t ≈ 1 ps

17 (matière transparente)
Clusters d’eau et chimie de la vie… R.A. Gortner (1930) Méduse opaque 500g séchage ® 0,45 g (matière transparente) Méduse º H2O (99,9 pds%) + protéines + lipides + glucides + minéraux (0,1 pds%) Eau (70%) Terre (30%)

18 Double couche lipidique Inélastique et incohérente
LDW (eau interfaciale) ni glace, ni eau liquide… Double couche lipidique S.V. Ruffle & al. J. Am. Chem. Soc., 124, 565 (2002) Etude par diffusion Inélastique et incohérente des neutrons (IINS)

19 M. Soler-Lopez & al., J. Biol. Chem.,275, 23034 (2000)
L’eau adopte des structures Pentagonales autour de La matière biologique…

20 W.E. Royer & al., PNAS, 93, (1996) +O2 17 H2O 9 H2O Clusters d’eau et changements allostériques

21 Sans eau pas de molécule d’ATP… Ingrédients: O2, H+, e- & H2O

22 Un fil d’eau est nécessaire pour alimenter la pompe à H+
Cytochrome c Oxidase Un fil d’eau est nécessaire pour alimenter la pompe à H+ Film disponible à l’URL

23 E. Tajkhorsid & al., Science, 296, 525 (2002) Les aquaporines brisent
Maintien du potentiel membranaire Les aquaporines brisent tout fil d’eau…

24 Encapsulation de tétramères d’eau dans les polymères de coordination
Squelette fluorène portant 2 unités pyridine liés par des molecules HgCl2

25 Nanocapsules et chimie des POM A. Müller & al. Chem. Commun. 1347 (1999) Des ciseaux moléculaires pour isoler des clusters D’eau???

26 Auto-assemblage de nanocapsules dans l’eau...
(NH4)6Mo7O24.4H2O + N2H4.H2SO4 [(Mo)Mo5] CH3COONH4 CH3COOH Liens = [MoV2O4(OOCCH3)]+

27 Des systèmes modèles pour étudier la structure de l’eau
Une nanocapsule sphérique avec 20 pores k{3,3} = 0 Caractéristique d’Euler-Poincarré :  = 60(-4/15) + 300 = -16 Genus de la surface:  = 4(1-g) = -16  g = 5 Des systèmes modèles pour étudier la structure de l’eau en milieu confiné

28 Structure 3D de la nanocapsule {Mo132}
30 12 (NH4)42[MoVI72MoV60O372(AcO)30(H2O)72].300H2O.10NH4OAc

29 Encapsulation de clusters d’eau amorphes
M. Henry, ChemPhysChem, 3, 607 (2002)

30 Quel sera l’effet sur la structure de l’eau de changer
la courbure en fermant les pores? Caractéristique d’Euler-Poincarré:  = 60/9 - 602/45 = 4 Genus de la surface:  = 4(1-g) = 4  g = 0 Sphère sans trous

31 Un cluster {H2O}100 auto-assemblé platonicien
A. Müller & M. Henry, C.R. Chimie , 6, 1201 (2003)

32 Un autre moyen d’ordonner les molécules d’eau en
gardant les pores ouverts via un changement de courbure M. Henry & A. Müller, C.R. Chimie, 6, 1201 (2003)

33 M. Henry & A. Müller, C.R. Chimie , 6, 1201 (2003)
Clusters d’eau et structures fullérènes M. Henry & A. Müller, C.R. Chimie , 6, 1201 (2003)

34 Modèle icosaédrique pour l’eau liquide
(H2O)280 avec 500 liaisons H EHB(ES = 0.94 g.cm-3) = kJ.mol-1 EHB(CS = 1 g.cm-3) = kJ.mol-1 Simulation de la structure de l’eau liquide par DM

35 Clusters d’eau et réseaux microporeux Le cas de la structure MIL-74
Réseau sodalite M. Henry, F. Taulelle, T. Loiseau, L. Beitone & G. Férey, Chem. Eur. J., 10, 1366 (2004)

36 Le jeu subtil des POMs et des clusters d’eau …
M. Henry, J. Cluster Sci., 14, 267 (2003)

37 Clusters hybrides avec topologie du cube adouci
+ 8 6 [C32H32O8]6[H2O]8 Calix[4]résorcinarène 60 LH intramoléculaires...

38 Tout ce que le coeur désire peut toujours se réduire
Remerciements Collaborateurs Prof. Gérard Férey, Versailles, France Prof. Wais Hosseini, Strasbourg, France Prof. Achim Müller, Bielefeld, Germany Dr. Francis Taulelle, Versailles, France Prof. John Steed, Durham, UK Tout ce que le coeur désire peut toujours se réduire à la figure de l'eau. (Paul Claudel) Jacques Livage, Collège de France

39 Le grand mystère concernant la structure de l’eau...
Effets des sels Sur la coalescence des bulles V.S Craig & al., J. Phys. Chem., 92 (1993) 10192

40 Ces problèmes sont liés à l’apparition de la vie
sur terre mais personne ne connaît la réponse...