Les molécules se déplacent plus vite à proximité d'une surface inégale

Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les molécules peuvent se déplacer plus vite à proximité d'une surface inégale. C'est la conclusion d'une équipe de chercheurs de l'Université libre de Bruxelles, dont l'étude est publiée dans Physical Review Letters.


La rugosité, soit la présence d'irrégularités sur une surface, est associée à une lenteur de mouvement et à l'adhérence. Ce constat est valable à l'échelle humaine (1 mètre): on prend en effet plus de temps à parcourir une route irrégulière qu'un chemin plane. À l'échelle de petits objets, nous pouvons prendre l'exemple de pâtes italiennes comme les rigatonis, présentant une surface irrégulière permettant de mieux faire adhérer la sauce tomate et le fromage. Jusqu'à présent, aucune expérience n'avait été tentée pour tester si ces conclusions se validaient à un niveau moléculaire.

Dans une étude dirigée par Simone Napolitano et publiée dans Physical Review Letters, Cristian Rodriguez-Tinoco et ses collègues du Département de Physique (Faculté des Sciences de l'Université libre de Bruxelles, ULB) démontrent que les larges molécules se déplacent en fait plus vite à proximité d'une surface irrégulière à l'échelle nanométrique.

Leurs expériences démontrent que la croyance commune qu'une surface rugueuse permet aux molécules de mieux y adhérer est fausse.

Quand la taille de la rugosité, soit la distance moyenne entre les "vallées" et les "collines" de la surface, est réduite à quelques nanomètres (soit quelques milliardièmes de millimètre), les molécules commencent à bouger plus vite.

Moins de voisins, plus d'espace

La détection de ces mouvements moléculaires n'est pas aisée: les molécules bougent vite (jusqu'à 1 millions et plus de mouvements par seconde) et leurs déplacements sont trop petits pour être observés par les microscopes. Les expériences sur une surface rugueuse ajoutent une complication à cause de son caractère inégal et des difficultés pour ajuster la taille et la distribution des irrégularités. L'équipe de l'ULB a créé une surface irrégulière d'aluminium grâce à une évaporation contrôlée du métal. Pour mesurer la vélocité des molécules, les chercheurs ont appliqué un faible champ électrique et mesuré le temps de réponse des molécules au stimulus.

De manière surprenante, les chercheurs ont remarqué que les molécules à proximité de la surface irrégulière se comportent comme si elles avaient moins de voisins autour d'elles, ce qui explique leur accélération. Ce constat est en désaccord avec les modèles numériques actuel, qui proposent que les molécules ralentissent à proximité d'une surface rugueuse. A contrario, les molécules de polymères n'apprécient pas se trouver à proximité d'un tel substrat et préfèrent s'en éloigner.

Les quelques molécules restant près des aspérités ont dès lors plus d'espace, forment moins de contact avec la surface et, par conséquence, se déplacent plus vite.

En partageant leurs résultats avec des théoriciens du Dartmouth College (USA, Jane Lipson), les chercheurs de l'ULB ont établi un lien très fort entre la manière dont sont organisées les aspérités (les "vallées" et les "collines") et le mouvement des molécules. Les théoriciens ont démontré qu'un minuscule changement dans l'espace libre autour d'une molécule avait un effet important sur la mobilité. Les prédictions de ce nouveau modèle rejoignent les observations.

Modifier la rugosité pour modifier les propriétés

Cette étude montre que la manière dont nous envisageons les interfaces n'est pas valide. Outre l'impact en science fondamentale, le travail de l'équipe de l'ULB pourrait être exploité dans un large nombre d'applications. Depuis une décennie, de nombreux groupes de recherche ont démontré que les propriétés des revêtements– comme la capacité de retenir ou repousser l'eau ou de modifier la vitesse de formation des cristaux – étaient liées au nombre de points de contacts entre le film et son substrat. Modifier ce nombre impliquait, jusqu'à présent, des réactions chimiques complexes.

Ces nouvelles découvertes démontrent qu'il est possible de configurer les performances des nanomatériaux en changeant simplement la rugosité de la surface.