University of Massachusetts-Amherst/Lovley
Une équipe de l’Université d’État du Michigan a rapporté pour la première fois l’effet piézoélectrique en phase liquide. C’était totalement inattendu, car, comme il sera expliqué plus en détail dans cet article, on pensait que cet effet ne provenait que des changements de forme d’un échantillon sous l’effet d’une contrainte mécanique ou de pression, et ne pouvait donc concerner que les solides (comme certains cristaux) et les échantillons biologiques (comme l’os).
Découverte inattendue de l’effet piézoélectrique dans les liquides
Le fait que l’effet ait été constaté dans des liquides ioniques plutôt que dans des liquides neutres habituels est probablement l’un des principaux facteurs de cette découverte, qui pourrait bien offrir une nouvelle compréhension physique de la phase liquide dans un sens plus large.
Comprendre les liquides ioniques
Les liquides ioniques (LI) sont des sels à l’état liquide, ce qui signifie que ces sels sont « fondus » dans leurs composants ioniques ou de charge. Globalement, le liquide est neutre, mais ses unités ne le sont pas ; ce sont des ions, c’est-à-dire des atomes qui ont perdu ou gagné une charge négative. Les cations sont les ions chargés positivement, tandis que les anions sont les ions chargés négativement. Les structures cristallines des sels résultent des forces ioniques entre les charges, qui sont supposées être plus fortes que d’autres forces de liaison, telles que les forces de Van der Waals. Ces sels présentent des énergies de réseau élevées, ce qui se traduit par des points de fusion élevés. Par exemple, le sel commun Na⁺Cl⁻—composé des cations Na⁺ et des anions Cl⁻—fond à près de 800 degrés Celsius, point auquel il peut être considéré comme un liquide ionique.
Certains types de sels, en particulier ceux contenant des ions organiques, ont une faible énergie de réseau et sont donc liquides à température ambiante ou à une température inférieure, raison pour laquelle on les appelle désormais liquides ioniques à température ambiante (LTI). Les liquides ioniques ont de nombreuses applications importantes : ils sont des supports potentiels de transfert et de stockage de chaleur dans les systèmes d’énergie solaire thermique, et ils facilitent le recyclage des produits synthétiques, des plastiques et des métaux, en offrant la spécificité nécessaire pour séparer des composés similaires les uns des autres, comme la séparation des polymères dans les flux de déchets plastiques. En raison de leur faible pression de vapeur, les LTI peuvent également remplacer l’eau comme électrolyte dans les batteries métal-air[1].
Figure 1 : Liquides ioniques à température ambiante (RTIL) (a) BMIM+TFSI- et (b) HMIM+TFSI-. Dans les deux cas, le cation se trouve à gauche et l’anion à droite. Nous apprécions la remarquable complexité structurelle des RTIL organiques par rapport au sel inorganique commun Na+Cl-.
- L’effet piézoélectrique
L’effet piézoélectrique direct concerne la production d’une charge dans un matériau lors de l’application d’une force ou d’une pression mécanique, et on comprend que cela se produit en raison de la distorsion de la structure du matériau à l’échelle de la cellule unitaire ou de la molécule. Le processus inverse est également vrai : un champ électrique appliqué entraîne la génération interne d’une contrainte mécanique. Jusqu’à présent, les effets piézoélectriques n’avaient été observés que dans des matériaux en phase solide, en particulier dans des matériaux cristallins non centrosymétriques, tels que le quartz, le LiNbO₃ et le BaTiO₃. Bien qu’ils aient également été observés dans des céramiques et des échantillons biologiques, tels que l’os et l’ADN.
Aujourd’hui, pour la première fois, les chimistes Iqbal Hossain et G. J. Blanchard de la Michigan State University rapportent l’observation de l’effet piézoélectrique direct dans des (RTIL) [2]. Les RTIL étudiées étaient le 1-butyl-3-méthyl imidazolium bis(trifluorométhyl-sulfonyl)imide, abrégé en (BMIM+TFSI-) et le 1-hexyl-3-méthyl imidazolium bis(trifluorométhylsulfonyl) imide, abrégé en (HMIM+TFSI-). Les deux composés sont représentés dans la figure 1 ci-dessus, où BMIM+TFSI- se trouve à gauche.
Ces matériaux piézoélectriques liquides ont été découverts lorsque les chercheurs ont appliqué une pression à l’aide d’un piston sur un échantillon de liquide ionique dans un cylindre, constatant que cela entraînait une libération d’électricité. Ils produisaient un potentiel électrique lors de l’application d’une force lorsqu’ils étaient confinés dans la cellule, l’ampleur du potentiel étant directement proportionnelle à la force appliquée. L’effet observé était d’un ordre de grandeur inférieur à celui observé dans le quartz.
Figure 1. Schéma de la cellule utilisée pour mesurer l’effet piézoélectrique direct dans les RTIL. Le piston est non conducteur (Delrin) et contient une électrode le long de son axe central. Le cylindre est en acier. L’étanchéité du système est assurée par un joint torique. Tiré de [1].
Ce résultat a été une surprise pour les scientifiques, une observation fortuite. Ils ont également constaté que les propriétés optiques des RTIL changeaient, comme l’indice de réfraction (la façon dont le liquide dévie la lumière), lorsqu’ils libéraient de l’électricité. La découverte d’un tel effet et de ses effets secondaires a des implications fondamentales sur l’organisation et la dynamique des liquides ioniques. L’explication théorique de ce mécanisme reste cependant à trouver.
Figure 3 : (a) Potentiel mesuré en fonction du temps, données expérimentales brutes pour BMIM+TFSI- (a, b) et HMIM+TFSI- (c, d). Les valeurs indiquées au-dessus de chaque pic correspondent à la force appliquée. Le temps de balayage pour la mesure du potentiel en circuit ouvert indiqué était de 400 s. en (b) et de 200 s. en (d). (b) et (d) représentent le potentiel mesuré en fonction de la force appliquée pour des balayages temporels multiples. La pente de la dépendance est de 16 ± 1 mV/N en (b) et de 17 ± 1 mV/N en (d). La dépendance du potentiel en circuit ouvert par rapport à la force appliquée est présentée (b et d), révélant une dépendance linéaire sur la plage étudiée. Le cas de contrôle, où la cellule est remplie d’éthylène glycol pur (lignes rouges) ou de NaCl 1 M dans l’éthylène glycol (lignes noires), en l’absence de force (e) et avec l’application d’une force (f) de la même manière que pour les RTIL. Le potentiel de circuit ouvert est de 350 mV ou moins dans tous les cas. Tiré de [1].
L’effet piézoélectrique dans un liquide reste un défi pour plusieurs raisons, la principale étant que la signature de l’effet piézoélectrique réciproque est un changement dans les dimensions d’un matériau lors de l’application d’un potentiel à travers le matériau et, par définition, le liquide est un matériau qui prend la forme de son contenant, ce qui rend difficile la caractérisation de tels changements de forme.
Deuxièmement, les RTIL ont démontré l’existence d’un gradient de densité de charge induit qui persiste sur plusieurs dizaines de micromètres. Par conséquent, les RTIL ne peuvent pas être comprises dans le même cadre conceptuel que les liquides moléculaires où leur comportement est bien caractérisé et où les effets de la séparation et de la réorganisation des charges se produisent dans un domaine de taille ou d’échelle beaucoup plus petit, de l’ordre des nanomètres.
En outre, l’idée que cet effet piézoélectrique ne pourrait pas se produire dans une phase liquide, alors que ce n’est manifestement pas le cas, indique clairement que de nombreux mécanismes thermodynamiques restent obscurs. On peut se demander si nous ne sommes pas en train d’assister à un processus électro-gravito-dynamique fluide, et si cette découverte peut apporter une compréhension révolutionnaire de la relation entre la charge et la masse.
Points clés :
En principe, les liquides ioniques n’incluent pas les liquides tels que l’eau ou les solvants organiques (huile, etc.) car ces derniers sont des liquides vraisemblablement composés de molécules électriquement neutres comme les unités H20, dans le cas de l’eau, qui se lient entre elles grâce aux forces de Vander Waals et aux ponts d’hydrogène, bien que cette image ne soit pas tout à fait claire.
Nous nous souvenons par exemple des travaux de la biochimiste mexicaine Maria Esther del Rio, qui a découvert des grappes de molécules d’eau qu’elle a appelées « eau cristalline liquide » [3], et ce bien avant les travaux de Gerard Pollack [4] et d’autres. Elle a découvert un type d’eau très particulier, l’eau cristalline liquide, et est parvenue à la conclusion que toute l’eau qui pénètre dans notre corps s’organise dans nos cellules sous forme de clathrates, qui dans ce cas sont 37 molécules deH2O, dans une géométrie très stable de dodécaèdres et d’octaèdres, dont la formule est (H2O)37. L’eau à cristaux liquides pourrait avoir la capacité de sauvegarder et de stocker des informations et, plus important encore, de les retransmettre, à l’instar d’une puce d’ordinateur.
Le sel dilué dans l’eau est également considéré comme un électrolyte parce que les cristaux de sel se dissolvent en se séparant en ses formes ioniques Na+ et Cl- par solvatation, bien que la possibilité de considérer ce système combiné comme un liquide ionique en fonction de sa concentration en ions ne soit pas appropriée parce que leur concentration devrait être très élevée par rapport aux molécules d’eau neutres et, comme nous le savons, lorsque l’eau atteint son point de saturation, l’excès de sel précipite sous forme de cristaux, de sorte qu’il n’est plus à l’état liquide. Vraisemblablement, ce cas ne pourrait jamais devenir un liquide ionique capable en principe de montrer l’effet piézoélectrique.
Néanmoins, en raison de l’extrême complexité des interactions intra- et inter-atomiques/moléculaires dans les liquides, on peut se demander si nous avons vraiment compris comment rendre compte de la distribution et de la configuration des charges internes en phase liquide. Par exemple, nous pourrions penser que l’eau EZ (la zone d’exclusion dans l’eau[4]) présente une séparation des charges dans ces régions EZ, et qu’elle pourrait être considérée comme similaire à un sel à l’état liquide, capable de présenter une piézo-électricité.
Références :
[1] Anirban Paul et al. Review article Room-Temperature Ionic Liquids for Electrochemical
Application with Special Focus on Gas Sensors, J. Electrochem. Soc. 167, 037511(2020).
[2] Md. Iqbal Hossain et al, Ionic Liquids Exhibit the Piezoelectric Effect, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.jpclett.3c00329
[3] https://www.toroidalfields.com/science/dr-esther-del-rio-we-humans-are-the-best-quantum-computers/
[4] Hwang, SG, Hong, JK, Sharma, A, Pollack, GH and Bahng GW: Exclusion zone and heterogeneous water structure at ambient temperature. PLoS ONE 13(4): e0195057. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195057 (2018).
