Des simulations accélérées par l’IA révèlent le mécanisme de transport des protons dans l’eau
En utilisant des simulations moléculaires avancées associées à l’intelligence artificielle, une équipe internationale de chercheurs d’un laboratoire de l’École Normale Supérieure PSL, de Sorbonne Université et du CNRS, et de chercheurs de l’Université du Kansas a fait des découvertes critiques sur la manière dont les protons se déplacent dans l’eau, apportant des réponses à des questions restées en suspens depuis longtemps dans ce domaine. Ces résultats ont été publiés le 20 août 2024 dans le journal Nature Chemistry.
Le mouvement des protons — des atomes d’hydrogène chargés positivement — régit la conductivité de l’eau et joue un rôle essentiel dans la production d’énergie, aussi bien dans nos cellules que dans les piles à combustible. Depuis des décennies, les scientifiques savent que les protons se déplacent exceptionnellement rapidement en étant transférés entre molécules d’eau. Cependant, des expériences récentes de spectroscopie laser ultrarapide ont remis en cause le modèle traditionnel décrivant ce mécanisme. Des questions cruciales sur la structure des protons et leur diffusion restaient ainsi irrésolues.
Les chercheurs de l’ENS et de KU ont relevé ce défi en utilisant des simulations moléculaires novatrices exploitant l’apprentissage automatique. Leurs découvertes révèlent que le mécanisme de transport des protons est plus complexe qu’on ne le pensait auparavant. Bien que le proton en excès soit typiquement localisé sur une molécule d’eau sous forme d’un ion hydronium (H₃O⁺), il peut être entouré par différentes configurations stables du réseau de liaisons hydrogène de l’eau.
Après un été olympique, une analogie sportive est naturelle : le mécanisme de diffusion des protons peut être comparé à un match de basketball. Tout comme le ballon peut être possédé par un joueur ou être passé entre deux joueurs, le proton se déplace selon deux modes, soit par diffusion comme un ion classique, soit par des sauts de Grotthuss entre molécules d’eau. Cependant, l’équipe de recherche a découvert que le saut des protons nécessite des conditions spécifiques, tout comme un joueur a besoin d’une passe dégagée, sans défenseurs. Dans cette analogie, les “défenseurs” représentent les liaisons hydrogène qui doivent se rompre pour permettre le transfert du proton.
De plus, l’étude souligne que, après le transfert d’un proton, la reformation d’une liaison hydrogène sur la molécule donneuse est essentielle, comme des joueurs qui se passent le ballon jusqu’à ce qu’un mouvement décisif soit possible. Cette séquence de rupture et de reformation des liaisons crée un processus de diffusion par étapes, où le proton reste soit sur une seule molécule, soit se transfère rapidement entre deux molécules.
Cette nouvelle compréhension permet non seulement d’expliquer pourquoi la diffusion des protons varie de manière inattendue aux interfaces et dans les solides, et suggère aussi de nouveaux moyens de contrôler le transport des protons dans divers systèmes.
Référence : A. Gomez, W.H. Thompson, D. Laage “Neural-network-based molecular dynamics simulations reveal that proton transport in water is doubly gated by sequential hydrogen-bond exchange” Nature Chemistry