Une équipe internationale de chercheurs, dirigée par le chimiste C. Austen Angell de l’Arizona State University et le Dr. Sander Woutersen de l’Université d’Amsterdam, a observé l’une des propriétés les plus intrigantes prédites par les théoriciens de l’eau : lors d’une surfusion suffisante et dans des conditions spécifiques, l’eau passe soudainement d’un liquide à un autre. Le nouveau liquide est toujours de l’eau, mais sa densité est plus faible et la disposition des molécules liées à l’hydrogène est différente, avec des liaisons plus fortes qui en font un liquide plus visqueux. Les résultats sont publiés aujourd’hui dans le journal Science.
Pour une substance qui est omniprésente sur Terre, les trois quarts de notre planète en sont recouverts, les scientifiques peuvent encore être surpris par certaines propriétés de l’eau. Crédit image : Brisch27.
Le nouveau phénomène est une transition de phase liquide-liquide, et jusqu’à présent, il n’avait été observé que dans des simulations informatiques de modèles d’eau.
Le problème de l’observation directe de ce phénomène dans de l’eau réelle est que, peu de temps avant que la théorie ne dise que cela devrait se produire, l’eau réelle se cristallise soudainement en glace. C’est ce qu’on appelle le “rideau de cristallisation”, qui a freiné pendant des décennies les progrès dans la compréhension de la physique de l’eau et de l’eau en biologie.
Le domaine situé entre cette température de cristallisation et la température beaucoup plus basse à laquelle l’eau vitreuse – formée par le dépôt de molécules d’eau à partir de la vapeur – se cristallise pendant le chauffage est connu comme un “no man’s land””, a déclaré le Dr Angell.
“Nous avons trouvé un moyen d’écarter le ‘rideau de cristallisation’ juste assez pour voir ce qui se passe derrière – ou plus exactement, sous – lui.”
Les transitions de phase de l’eau sont importantes à comprendre pour une multitude d’applications.
Par exemple, le soulèvement bien connu et destructeur des routes et des chemins piétonniers en béton en hiver est dû à la transition de phase entre l’eau et la glace sous le béton.
La transition de phase entre les états liquides, décrite dans le présent travail, a beaucoup de points communs avec la transition vers la glace, mais elle se produit à une température beaucoup plus basse, environ moins 130 degrés Fahrenheit (moins 90 degrés Celsius), et seulement dans des conditions de surfusion, de sorte qu’elle restera probablement une curiosité scientifique dans un avenir prévisible.
Il y a quelques années, nous avons étudié le comportement thermique d’un type particulier de solution aqueuse “idéale” que nous utilisions pour explorer le pliage et le dépliage des protéines globulaires”, a déclaré le Dr Angell.
“Nous voulions observer la capacité de ces solutions à se surfondre puis à se vitrifier”.
“Cherchant la limite du domaine vitreux, nous avons ajouté de l’eau supplémentaire pour augmenter la probabilité de cristallisation de la glace et nous avons constaté qu’au lieu de dégager finalement de la chaleur lorsque la glace cristallisait (laissant une solution résiduelle non congelée), comme on le trouve normalement lors du refroidissement de solutions salines, elle dégageait en fait de la chaleur pour former une nouvelle phase liquide.”
Le liquide était beaucoup plus visqueux, peut-être même vitreux. De plus, en inversant le sens du changement de température, les auteurs ont constaté qu’ils pouvaient retransformer la nouvelle phase en solution d’origine avant que la glace ne commence à cristalliser.
“Cette observation a suscité un intérêt considérable, mais il n’y avait aucune information structurelle pour expliquer ce qui se passait”, a noté le Dr Angell.
Dans le Science l’équipe a montré que les structures impliquées dans la transition liquide-liquide ont les mêmes signatures spectroscopiques – et les mêmes modèles de liaison hydrogène – que celles observées dans les deux formes vitreuses connues de la glace produites par des processus alternatifs laborieux (phases solides amorphes de haute et de basse densité de l’eau).
“La transition liquide-liquide que nous avions découverte était maintenant considérée comme l’analogue vivant du changement entre deux états vitreux de l’eau pure qui avait été signalé en 1994, en utilisant la pression pure comme force motrice”, a déclaré le Dr Angell.
Nos résultats semblent fournir une preuve directe de l’existence d’une transition liquide-liquide derrière le “rideau de cristallisation” de l’eau pure”, a ajouté le Dr Woutersen.
“Les résultats offrent une explication générale des anomalies thermodynamiques de l’eau liquide, et une validation de la ‘théorie du second point critique’ avancée par les chercheurs pour expliquer ces anomalies.”
“Ce comportement est presque unique parmi la myriade de liquides moléculaires connus. Seules quelques autres substances sontLe Dr Angell a conclu : ” On pense qu’il y a des cas où le virus est présent, mais aucun n’a été prouvé à ce jour “.
