Une équipe de physiciens dirigée par l’Université de Stockholm a découvert deux phases d’eau liquide à basse température présentant de grandes différences en termes de structure et de densité.
Une impression d’artiste des deux formes d’eau liquide ultra-visqueuse de densité différente ; à l’arrière-plan est représenté le modèle de speckle de rayons X pris à partir de données réelles de la glace amorphe de haute densité, qui est produite par la pressurisation de l’eau à des températures très basses. Crédit image : Mattias Karlén.
Lorsque nous pensons à la glace, c’est le plus souvent comme à une phase ordonnée et cristalline que vous sortez de la glacière, mais la forme la plus courante de la glace est amorphe, c’est-à-dire désordonnée, et il existe deux formes de glace amorphe, à faible et à forte densité.
Les deux formes peuvent s’interconvertir et il y a eu des spéculations qu’elles peuvent être liées aux formes de basse et haute densité de l’eau liquide.
“Nous avons découvert que l’eau peut exister sous la forme de deux liquides différents à basse température (moins 234 degrés Fahrenheit, ou moins 148 degrés Celsius) où la cristallisation de la glace est lente”, a déclaré Anders Nilsson, professeur de physique chimique à l’Université de Stockholm, et auteur principal de l’article rapportant les résultats dans l’édition du Proceedings of the National Academy of Science.
Les chercheurs ont utilisé les ressources de la source de lumière PETRA III du Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) à Hambourg, en Allemagne, et de l’Advanced Photon Source (APS) de l’Argonne National Laboratory.
“L’aspect unique de ce travail est la combinaison de deux méthodes à base de rayons X, où la diffusion de rayons X à grand angle fournit la preuve de la structure au niveau atomique et la spectroscopie de corrélation de photons de rayons X fournit un aperçu du mouvement à l’échelle nanométrique, respectivement”, ont-ils expliqué.
Les nouveaux résultats permettent non seulement de mieux comprendre l’eau à différentes températures et pressions, mais aussi la façon dont l’eau est affectée par les sels et les biomolécules importants pour la vie.
En outre, la meilleure compréhension de l’eau peut conduire à de nouvelles idées sur la façon de purifier et de dessaler l’eau à l’avenir.
“Les résultats soutiennent fortement l’idée que l’eau à température ambiante ne peut pas décider dans laquelle des deux formes elle devrait être, haute ou basse densité, ce qui entraîne des fluctuations locales entre les deux”, a déclaré le co-auteur Lars G.M. Pettersson, professeur de physique chimique théorique à l’Université de Stockholm.
“En bref : l’eau n’est pas un liquide compliqué, mais deux liquides simples avec une relation compliquée”.
“Il est particulièrement excitant que ces nouvelles informations aient été fournies par les rayons X puisque le pionnier du rayonnement X, Wolfgang Röntgen, a lui-même spéculé que l’eau pouvait exister sous deux formes différentes et que l’interaction entre elles pouvait donner lieu à ses propriétés étranges”, a ajouté le coauteur Daniel Mariedahl, étudiant en doctorat de physique chimique à l’Université de Stockholm.
“J’ai étudié les glaces amorphes pendant longtemps dans le but de déterminer si elles peuvent être considérées comme un état vitreux représentant un liquide congelé”, a déclaré Katrin Amann-Winkel, chercheuse postdoctorale en physique chimique à l’Université de Stockholm.
“C’est un rêve devenu réalité que de suivre de manière aussi détaillée comment un état vitreux de l’eau se transforme en un liquide visqueux qui se transforme presque immédiatement en un autre liquide, encore plus visqueux, de densité beaucoup plus faible.”
