La science découvre un état caché de l’eau qui défie les limites physiques

Les fondations mystérieuses d’un liquide vital

L’eau rend la vie sur Terre possible. Face à cette réalité, on pourrait légitimement penser que les scientifiques connaissent les moindres détails du fonctionnement de ce liquide vital. Pourtant, la situation est bien différente.

En remontant aux travaux du physicien allemand Wilhelm Röntgen dans les années 1890, il est établi que l’eau ordinaire est l’un des liquides les plus étranges de la planète.

Selon Chemistry World, la molécule H₂0 présente 66 propriétés qui diffèrent des autres liquides. Parmi ces caractéristiques figurent sa tension superficielle élevée, sa capacité thermique, son point d’ébullition et sa densité.

L’anomalie fondamentale et la quête d’Anders Nilsson

« Si vous regardez les propriétés thermodynamiques et cinétiques simples des liquides, lorsque vous changez la pression et la température, ils se comportent tous de la même manière. Sauf l’eau. » C’est ce qu’a déclaré à Chemistry World en 2020 Anders Nilsson, un chercheur de l’Université de Stockholm qui a longuement étudié les propriétés étranges de l’eau pendant plus d’une décennie.

Pour tenter de comprendre pourquoi l’eau se comporte de cette manière, Anders Nilsson est à la recherche de ce que l’on appelle le point critique liquide-liquide, ou LLCP.

Le point critique élevé de l’eau est connu depuis longtemps. Il se situe à environ 374 degrés Celsius et à une pression équivalente à 218 fois la pression atmosphérique. À ce stade précis des conditions physiques, la différence entre le liquide et le gaz disparaît totalement.

L’eau surfondue et le comportement de la densité

Les scientifiques ont émis l’hypothèse qu’il existe un point critique lorsque l’eau est surfondue, ce qui signifie qu’elle reste liquide à des températures bien inférieures à son point de congélation normal.

Une des raisons pour lesquelles les chercheurs s’attendent à ce que ce point critique existe est que l’eau atteint sa densité maximale à 4 degrés Celsius avant d’inverser sa course. Ce comportement explique d’ailleurs pourquoi la glace flotte. Cette anomalie dans la densité de l’eau pourrait s’expliquer par un point critique sous zéro, supposé se situer quelque part entre -40 et -70 degrés Celsius.

En 2020, Anders Nilsson faisait partie d’une équipe qui a découvert que l’eau surfondue peut exister sous deux phases distinctes : un liquide à haute densité et un liquide à basse densité. Cette trouvaille soutient l’idée que ces phases fusionnent au niveau du très recherché LLCP. Toutefois, identifier ce point exact n’est pas une tâche aisée, car l’eau gèle plus rapidement que ce que la plupart des méthodes de mesure peuvent capturer.

La percée scientifique grâce aux rayons X

La plupart des méthodes échouent, mais pas toutes. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science, Anders Nilsson et une équipe dirigée par Kyung Hwan Kim au Pohang Accelerator Laboratory ont utilisé des rafales extrêmement rapides d’un laser à électrons libres à rayons X pour observer l’eau surfondue au moment de sa transition vers la glace.

Les scientifiques ont révélé que le LLCP de l’eau se produit à environ 210 kelvins, soit -63 degrés Celsius. En d’autres termes, les premières investigations de Wilhelm Röntgen sur les propriétés étranges de l’eau, menées il y a quelque 130 ans, ont été vérifiées en utilisant son autre découverte qui a changé le monde : les rayons X.

« Ce qui était spécial, c’est que nous avons été capables de radiographier de manière inimaginablement rapide avant que la glace ne gèle et avons pu observer comment la transition liquide-liquide disparaît et un nouvel état critique émerge, » a déclaré Anders Nilsson dans un communiqué de presse. Il ajoute : « Pendant des décennies, il y a eu des spéculations et différentes théories pour expliquer ces propriétés remarquables et une théorie a été l’existence d’un point critique. Maintenant, nous avons trouvé qu’un tel point existe. »

Des implications profondes pour l’avenir de la recherche

Tout comme pour le point critique supérieur de l’eau, l’observation du LLCP de l’eau n’est possible que sous une pression immense, atteignant environ 1000 atmosphères. Néanmoins, à mesure que les conditions changent, les deux phases finissent par fusionner en une seule.

Il est intéressant d’observer que ces fluctuations s’étendent probablement à travers les températures et les pressions, y compris dans des conditions environnementales normales. Ce phénomène pourrait justifier de manière définitive pourquoi l’eau est si étrange. Maintenant que les scientifiques ont identifié ce point critique avec précision, cela pourrait avoir des impacts d’une grande portée dans une variété de domaines.

« Il y a eu un débat intense sur l’origine des propriétés étranges de l’eau pendant plus d’un siècle depuis les premiers travaux de Wolfgang Röntgen, » a souligné Anders Nilsson dans un communiqué de presse. Le chercheur conclut en dessinant les perspectives de ce travail : « La prochaine étape est de trouver les implications de ces découvertes sur l’importance de l’eau dans les processus physiques, chimiques, biologiques, géologiques et liés au climat. Un grand défi dans les prochaines années. »

Selon la source : popularmechanics.com