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L’eau peut exister en deux états liquides différents

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Une équipe de chercheurs annonce avoir découvert deux phases d’eau liquide avec de grandes différences de structure et de densité. Les résultats, basés sur des études expérimentales utilisant des rayons X, viennent d’être publiés dans les Proceedings of the National Academy of Science (US).

Omniprésente et indispensable, autant pour le développement que pour le maintien de la vie, l’eau est l’un des corps chimiques les plus essentiels de notre planète. Ses propriétés sont en outre tout à fait exceptionnelles, voire parfois inattendues. L’eau se comporte en effet très différemment de tous les autres liquides (plus de 70 propriétés diffèrent de la plupart des liquides, du point de fusion à la capacité thermique). D’ailleurs, une équipe de l’Université de Stockholm révélait il y a quelques jours que l’eau pouvait se présenter en deux liquides différents à basse température où la cristallisation des glaces est lente.

Ainsi, l’eau peut donc exister en deux liquides différents, chacune avec de grandes différences de structure et de densité. Une percée rendue possible grâce à la technologie des rayons X qui a permis de scruter les molécules H2O dans des détails sans précédent. « Il est très excitant de pouvoir utiliser les rayons X pour déterminer les positions relatives entre les molécules à différents moments », explique Fivos Perakis, de l’Université de Stockholm qui a participé à l’étude. « Nous avons notamment pu suivre la transformation de l’échantillon à basse température entre les deux phases et démontré qu’il existe une diffusion typique des liquides ».

Les chercheurs se sont longtemps demandé s’il pouvait exister plus d’une phase liquide d’eau. Lorsque nous pensons à la glace, nous pensons à cette phase cristalline ordonnée que nous sortons de la glacière, mais la forme de glace la plus commune dans notre système planétaire est amorphe, désordonnée et il existe finalement deux formes de glace amorphe. L’une avec une densité faible et l’autre élevée. Les deux formes peuvent être interconverties et il a été spéculé qu’elles pouvaient être liées à des eaux liquides à faible et haute densité.

« J’ai longuement étudié les glaces amorphes dans le but de déterminer si elles peuvent être considérées comme un état vitreux représentant un liquide congelé », explique Katrin Amann-Winkel, chercheuse en chimie physique à l’Université de Stockholm. « C’est un rêve devenu réalité de suivre de manière détaillée comment un état d’eau vitreux se transforme en un liquide visqueux qui se transforme presque immédiatement en un liquide différent, encore plus visqueux, de densité beaucoup plus faible », explique-t-elle. « Ces nouveaux résultats suggèrent finalement qu’à température ambiante, l’eau ne peut décider de la forme sous laquelle elle va se présenter, sous haute ou faible densité, ce qui entraîne des fluctuations locales entre les deux », ajoute Lars GM Pettersson, professeur en physique chimique théorique à l’Université de Stockholm. « En un mot : l’eau n’est pas un liquide compliqué, mais deux liquides simples avec une relation compliquée ».

Ces nouveaux résultats permettent non seulement une meilleure compréhension globale du comportement de l’eau à des températures et des pressions différentes, mais permettent aussi de mieux appréhender l’influence de l’eau sur les sels et les biomolécules indispensables à vie. En outre, comprendre la nature intrinsèque de l’eau pourrait conduire à de nouvelles idées sur la façon de la purifier et de la dessaler dans le futur qui se présente comme l’un des principaux défis pour l’humanité compte tenu de l’évolution du changement climatique mondial.

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