La surface de l'eau recouvre plus 70 % de la Terre. Elle est pourtant encore bien mal comprise par les physiciens... © Nasa

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La physique quantique lève (un peu) les mystères de la surface de l’eau

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Par Nathalie Mayer, Futura

L'eau est un corps aussi banal pour le commun des mortels qu'étrange pour les physiciens. Une équipe de chercheurs s'est appuyée sur un modèle quantique pour révéler la structure moléculaire de la surface de l'eau à l'état liquide.

Même si cela ne nous saute pas aux yeux, certaines propriétés de l'eau sont étonnantes. Au contraire de tous les autres corps, elle ne se contracte pas en refroidissant, ce qui ferait couler les glaçons au fond des verres. Autre exemple : plus elle est froide, mieux elle dissout les gaz, une caractéristique qui permet aux poissons de respirer. Certaines de ces bizarreries ont été expliquées, par la taille et la topologie des molécules d'eau entre autres. Mais beaucoup de mystères restent à élucider.

En incluant des phénomènes quantiques à leurs modèles, des chercheurs britanniques du Laboratoire national de physique (NPL) ont voulu rendre la simulation du comportement des matériaux en général, et de l'eau en particulier, plus intuitive et plus proche de la réalité. C'est ainsi qu'avec la collaboration de l'Institut national de mesure, d'IBM et de l'université d'Édimbourg, ils ont pu déterminer la structure moléculaire de la surface de l'eau à l'état liquide.

L'interface liquide-vapeur à la surface de l'eau est l'un des environnements hétérogènes à la fois le plus commun et le plus mystérieux. Les mesures expérimentales de sa structure moléculaire sont délicates à réaliser et les modèles actuels ne s'entendent pas sur les résultats. Pourtant, comprendre la structure moléculaire de la surface de l'eau pourrait permettre de mieux comprendre les interactions qui sous-tendent de nombreux processus biologiques.

Les orientations moléculaires diverses à l’interface liquide-vapeur de l'eau créent une densité électronique hétérogène. © National Physical Laboratory

Le comportement des électrons est l'une des clés

Le modèle quantique utilisé par les chercheurs du NPL est basé sur une particule chargée fictive, nommée oscillateur de Drude. Dans le cas d'une molécule d'eau, cette particule est attachée à l'atome d'oxygène par le biais d'un ressort harmonique, mimant la façon dont les électrons d'une véritable molécule d'eau oscillent et réagissent à leur environnement. Des informations auxquelles les modèles classiques ne donnent généralement pas accès et qui, surtout, donnent une idée précise des propriétés moléculaires de l'eau liquide.

C'est la première fois que le modèle de l'oscillateur de Drude est appliqué à une interface liquide-vapeur. Les résultats des chercheurs britanniques montrent que l'asymétrie intrinsèque des liaisons hydrogène est responsable de l'orientation des molécules de surface. Et le modèle permet également de prédire la dépendance à la température de la tension superficielle de l'eau avec une précision de 1 %.

Cette étude démontre qu'il est possible d'appliquer le modèle de l'oscillateur de Drude à des domaines encore inexplorés. Elle offre ainsi, par exemple, des perspectives prometteuses pour l'exploration de la matière condensée.