À l’ENS, pourquoi certaines réactions s’accélèrent dans les microgouttes

À l’École normale supérieure, à Paris, le chimiste Damien Laage s’attaque à une énigme : pourquoi certaines réactions chimiques, très lentes dans un verre d’eau, s’accélèrent-elles dans des gouttelettes microscopiques ? Le chercheur CNRS et trois équipes européennes viennent d’obtenir 13,9 millions d’euros sur six ans pour tenter d’y répondre. Le projet s’appelle DropChem.

Le phénomène intrigue les laboratoires depuis plus d’une décennie. Selon les expériences, certaines réactions s’effectuent mille, voire un million de fois plus vite que dans le liquide de référence. Mais une difficulté persiste : les chercheurs ne parviennent pas toujours à déterminer si ces transformations viennent des propriétés des gouttes ou des conditions utilisées pour les fabriquer.

Une expérience qui complique le mystère

Une étude américaine publiée en juillet 2026 illustre le problème. Ses auteurs ont recherché la formation de peroxyde d’hydrogène, autrement dit d’eau oxygénée, dans des microgouttes privées d’oxygène et d’ozone, deux substances susceptibles de participer à sa formation.

Dans les gouttes neutres, produites par condensation, ils n’en ont pas détecté. Même résultat avec des gouttes chargées positivement. En revanche, les gouttes portant une forte charge négative, obtenues par pulvérisation électrique, en produisaient des quantités mesurables.

La différence est considérable. Les chercheurs ont relevé jusqu’à plusieurs dizaines de micromoles par litre dans les gouttes négatives, contre moins de 60 nanomoles par litre, leur seuil de détection, dans les deux autres cas.

Leur interprétation met en cause les charges et l’énergie apportées lors de la pulvérisation. La formation d’eau oxygénée ne serait donc pas, dans ces conditions, une propriété spontanée de la simple surface de l’eau.

Cette expérience concerne une réaction particulière. Elle ne réfute pas les nombreuses accélérations chimiques observées dans d’autres systèmes. Elle montre cependant pourquoi deux expériences réalisées sur des gouttes d’eau peuvent conduire à des conclusions différentes.

Observer la même goutte de plusieurs façons

La surface des microgouttes offre un environnement inhabituel aux molécules. Celles-ci peuvent y être moins entourées d’eau qu’au cœur du liquide. L’évaporation modifie aussi leur concentration, tandis que les charges électriques influencent certaines réactions. Ces effets peuvent se combiner, et leur importance varie selon les substances étudiées.

Des chercheurs savent déjà isoler des gouttes et mesurer leur réactivité. En 2024, une équipe de l’université Purdue a par exemple observé une réaction 31 fois plus rapide dans une goutte millimétrique d’acétonitrile maintenue en lévitation et alimentée en réactif par de la vapeur, par rapport au liquide de référence.

DropChem ne part donc pas de zéro. Son ambition est de réunir des observations que les modèles actuels n’expliquent pas encore de façon générale.

Les équipes de Ruth Signorell à Zurich, Nønne Prisle à Hambourg et Jonathan Reid à Bristol étudieront des gouttelettes individuelles, maintenues par des dispositifs optiques ou électriques. Elles mesureront leur composition et leurs propriétés à l’aide de différentes techniques spectroscopiques, notamment utilisant les rayons X.

À Paris, Damien Laage et son équipe développeront les simulations moléculaires. L’apprentissage automatique doit permettre de reproduire les mouvements et les réactions des molécules avec une précision proche des calculs quantiques, sur des durées et des systèmes jusqu’ici difficiles à explorer.

Les quatre laboratoires travailleront sur les mêmes systèmes chimiques. Les mesures serviront à éprouver les simulations, qui pourront à leur tour suggérer de nouvelles expériences. Cette confrontation constitue l’originalité du programme, davantage que les instruments pris séparément.

Des règles à découvrir

Dans les nuages, le brouillard et les aérosols, des gouttelettes peuvent aussi accueillir des réactions chimiques. Mieux les comprendre pourrait améliorer les modèles décrivant la transformation de certaines substances dans l’atmosphère, notamment les polluants.

Les chercheurs exploreront également des possibilités de synthèse chimique dans des conditions moins exigeantes. Ces applications restent des pistes pour DropChem, qui démarre au stade de la recherche fondamentale.

À l’ENS, Damien Laage doit désormais constituer une équipe de doctorants et de chercheurs postdoctoraux. Leur travail consistera à simuler les réactions dans les microgouttes, puis à confronter leurs prédictions aux mesures réalisées par les trois laboratoires partenaires.