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Les secrets de l'eau et l'équation de Schrödinger

Quel est l'un des objets les plus mystérieux de l'Univers ? Réponse : l'eau ! Nombres des propriétés physiques et chimiques de l'eau sont en effet anormales si on les compare à celles d'autres liquides. Les raisons n'en sont pas toujours très bien comprises. En théorie, toute la chimie et la physique de la matière à notre échelle est intégralement décrite par une énorme équation de Schrödinger appliquée aux plus de 1023 atomes constituant une mole de matière. À l'aide d'ordinateurs, une équipe de physiciens a donc réussi en utilisant cette équation à reproduire et mieux comprendre certaines des propriétés énigmatiques de l'eau.

Krzysztof Szalewicz, UD professor of physics and astronomy. L'homme qui a dirigé l'équipe simulant l'eau à l'ordinateur à partir de la MQ. Krzysztof Szalewicz, UD professor of physics and astronomy. L'homme qui a dirigé l'équipe simulant l'eau à l'ordinateur à partir de la MQ.

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Crédit : Omololu Akin-Ojo and David Barczak, University of Delaware
Crédit : Omololu Akin-Ojo and David Barczak, University of Delaware

Si l'on suit la démarche réductionniste sous-tendant une bonne partie de l'activité scientifique, le monde macroscopique est une conséquence des lois du monde microscopique. De fait, bien des propriétés des liquides et des solides à notre échelle, trouvent leurs explications dans les lois de la mécanique quantique régissant des noyaux et des électrons interagissant électromagnétiquement. Nous connaissons ces lois, et nous pouvons donc écrire les équations gouvernant ces ensembles de particules, c'est un des grands triomphes de l'esprit humain.

Equation de Schrödinger d'un ensemble de noyaux et d'électrons (Crédits : Robert Laughlin).
Equation de Schrödinger d'un ensemble de noyaux et d'électrons
(Crédits : Robert Laughlin).

Malheureusement, il a vite fallut déchanter, écrire une équation est une chose, en trouver des solutions en est une autre ! L'esprit humain apparaît alors singulièrement limité et les solutions approximatives sont en fait la règle en physique.

Un des moyens de contourner en partie l'obstacle est de faire appel à l'ordinateur : c'est ce qui a été fait en météorologie et en mécanique céleste avec les succès et les échecs que l'on sait. Néanmoins, l'entreprise consistant à déduire le monde à partir de principes physiques et mathématiques fondamentaux continue, et pour de bonnes raisons, à être à la racine du progrès scientifique.

Le professeur Krzysztof Szalewicz de l'Université du Delaware a donc dirigé l'équipe scientifique, comprenant Robert Bukowski de l'Université Cornell, Gerrit Groenenboom et Ad van der Avoird de l'Institute for Molecules and Materials de l'Université Radboud en Hollande, ayant publié ce mois-ci dans "Science" l'article intitulé « Prédictions des propriétés physiques de l'eau à partir des premiers principes ». Ils y retrouvent par exemple le fait que, contrairement aux autres liquides, l'eau augmente de volume quand elle gèle ! Ce qui fait que la glace, alors plus légère, flotte.

C'est une double performance, d'abord parce qu'il a été possible de retrouver certaines des propriétés de l'eau uniquement à partir de l'application de l'équation de Schrödinger a des molécules d'H2O mais aussi parce qu'ils ont réussi à atteindre la grande puissance de calcul nécessaire par l'utilisation judicieuse de cluster d'ordinateurs sous Linux. Malgré tout, plusieurs mois de calculs auront été nécessaires pour que ce réseau d'ordinateurs fonctionnant en parallèle puisse fournir les résultats !

Cela se comprend bien, il faut en effet calculer les forces qu'exercent les unes sur les autre un nombre affolant de particules et en déduire les mouvements résultants. Bien sûr, les trajectoires n'existant pas vraiment en mécanique quantique et la notion de mouvement n'y a pas le même sens qu'en physique newtonienne.

Le professeur Krzysztof Szalewicz pense que leur modèle ne s'applique pas seulement à l'eau sous forme liquide, mais devrait permettre aussi de mieux comprendre celle-ci dans différentes phases, comme par exemple sous ses multiples formes de glace. Plus généralement, les techniques qu'ils ont mises au point devraient faire progresser les simulations sur ordinateurs d'autres liquides et systèmes moléculaires, les protéines ou l'ADN en biologie par exemple.


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