L'eau serait composée de deux liquides ! © José Manuel Suárez, Wikipédia, CC by 2.0

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Surprise : l'eau est composée de deux liquides !

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L'eau a des propriétés singulières qui déroutent encore chimistes et physiciens. En étudiant différentes formes de glace en train de fondre avec des rayons X, un groupe de chercheurs vient d'établir que l'eau liquide était en fait un mélange complexe de deux formes liquides de l'eau.

  • Il existe plus de 70 propriétés de l'eau (point de fusion, densité, capacité calorifique, etc.) qui, prises ensemble, diffèrent de celles de la plupart des liquides. Ces propriétés anormales de l'eau sont une condition préalable à la vie telle que nous la connaissons. Pourtant, personne ne comprend très bien leurs origines.
  • L'eau peut aussi exister sous différentes formes de glaces, cristallines ou « amorphes ». Elle contient, même liquide, des petites structures ordonnées transitoires qu'il est possible d'étudier avec la diffraction des rayons X.
  • Cette méthode vient de révéler que l'eau liquide ordinaire était elle-même un mélange complexe et fluctuant de deux formes liquides.

L'eau est au centre de notre vie. Elle semble ordinaire et familière, en tout cas pour nous, occidentaux des XXe et XXIe siècles. Pourtant, c'est un liquide singulier pour les physiciens et les chimistes. D'ailleurs, ceux-ci n'ont pas encore percé tous les secrets de l'eau, même armés des ordinateurs modernes et de l'équation de Schrödinger.

D'abord, l'eau est un solvant presque universel, en particulier pour les solides ioniques (comme les cristaux de sel) et les corps composés de molécules polaires. Ensuite, contrairement aux autres liquides, l'eau augmente de volume quand elle gèle ; c'est ce qui explique que les icebergs flottent. Toutefois, cela n'est vrai que lorsque l'on considère la forme de la glace connue de tout à chacun, mais physiciens et chimistes savent bien que plusieurs types de glace apparaissent dans différentes phases selon les conditions de température et de pression. Ils connaissent ainsi plus d'une dizaine de formes cristallines de l'eau, et même une forme dite amorphe, où il n'existe pas vraiment de structures ordonnées à grande échelle.

Ils savent toutefois que, même dans de l'eau liquide à des échelles de temps et de distances très courtes, des molécules d'eau s'assemblent très transitoirement du fait des fameuses liaisons hydrogène en donnant des structures cristallines. Ces structures sont appelées « des clusters d'eau ». Ce phénomène est si mal compris qu'il est actuellement considéré comme l'un des problèmes non résolus de la chimie.

Une introduction à la cristallographie aux rayons X. © The Royal Institution, YouTube

Les mystères de la structure de l'eau

Pour tenter de percer les mystères de la structure de l'eau, qu'elle soit solide ou liquide, les physiciens ont recours à une puissante méthode de cristallographie : la diffraction des rayons X. Celle-ci a révolutionné notre compréhension de la matière, comme l'explique très bien la vidéo ci-dessus.

Mais, qui dit diffraction de rayons X, dit tout d'abord sources de rayons X : il s'agit généralement de synchrotrons, c'est-à-dire, plus précisément, d'accélérateurs d'électrons. Or, comme les membres d'une équipe internationale de physiciens viennent de l'expliquer dans une publication disponible sur Pnas, ils se sont servis des sources disponibles au laboratoire national d'Argonne (États-Unis) et au Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Synchrotron allemand à électrons), à Hambourg.

Les chercheurs ont tiré de leurs expériences la conclusion que l'eau liquide devait en fait être un mélange de deux formes liquides pour l'eau. Les spécialistes s'en doutaient depuis un certain temps. En effet, comme expliqué précédemment, la glace peut exister sous plusieurs formes cristallines et il existe aussi une « forme amorphe », qui n'est pas ordonnée à grande échelle et qui est donc désordonnée comme un liquide.

Deux glaces amorphes qui donnent deux liquides différents en fondant

Or, il existe en fait deux formes de glace amorphe ; leurs densités ne sont pas les mêmes et elles peuvent se transformer l'une dans l'autre. Les physico-chimistes s'étaient donc demandé si l'eau liquide n'était pas finalement elle-même un mélange de deux formes liquides, également de densités différentes et dont chacune pouvait conduire à basse température à de la glace amorphe. C'est précisément la transformation de ces glaces amorphes en liquides que les chercheurs ont pu suivre en étudiant avec les rayons X les modifications des structures malgré tout présentes.

Selon Lars G. M. Pettersson, professeur en physico-chimie théorique à l'université de Stockholm et coauteur du travail publié dans Pnas, « les nouveaux résultats soutiennent fortement l'idée que l'eau, à température ambiante, ne peut pas décider dans laquelle des deux formes elle devrait être, à haute ou faible densité, ce qui entraîne des fluctuations locales entre les deux. En un mot : l'eau n'est pas un liquide compliqué, mais deux liquides simples avec une relation compliquée ».