L’eau peut adopter deux formes liquides différentes, confirme une étude

L’eau se caracterise par trois états physiques — liquide, solide (glace) et gazeux (vapeur) ; elle se trouve dans l’un ou l’autre de ces états selon la temperature et la pression ambiantes. En cas de refrigération, elle se transforme en glace ; mais saviez-vous que l’eau peut demeurer liquide jusqu’à au moins -48 °C? Le processus peut inclure en effet un état intermédiaire dit de surfusion, dans lequel l’eau peut même se trouver sous deux formes liquides différentes, mais dont les limites sont encore mal comprises. Une nouvelle étude permet aujourd’hui de mieux characterizationer cette transition de phase liquide-liquide.

L’eau est en réalité très étrange par rapport à d’autres liquides. Pour commencer, la glace d’eau, moins dense, flotte sur l’eau liquide, dont la densità maximume est observée à 4 °C (alors que la plupart des solides s’enfoncent dans leur forme liquide). Sous sa forme liquide, elle est constituente d’un ensemble de molecules d’eau (H2O), maintenues entre elles par des liaisons hydrogène. Depending on temperature and pressure, water ice can adopt as many as 16 different crystalline forms. Mais l’autre curiosité de l’eau est qu’elle peut être refroidie bien en dessous de 0 °C sans se transform en glace.

La surfusion est un état particularly unstable dans lequel l’eau demeure en phase liquide alors que sa temperature est plus basse que son point de solidification. A study published in 2011 dans Nature a montré que l’eau liquide surfondue ne devient de la glace qu’à la temperature de -48 °C. À ce point précis, la structure moléculaire de l’eau change pour former un ensemble de tétraèdres (chaque molecule d’eau étant liée à quatre autres). A new type of phase transition explaining particular behavior was proposed for the first time 30 years ago, in a study conducted by researchers at the University of Boston. Une nouvelle étude apporte aujourd’hui des preuves de l’existence d’une transition de phase liquide-liquide se produisant dans des conditions de surfusion.

Deux formes liquides plus ou moins denses

According to the theory suggested il ya 30 ans pour explicar l’origine des anomalies thermodynamiques de l’eau, il existerait une ligne de transition de phase liquide-liquide de premier ordre dans la région surfondue du diagramme de phases de l’eau. Cette ligne séparait deux phases liquides formed de réseaus de liaisons hydrogene transitoires — un liquide à basse densità (LDL) et un liquide à haute densità (HDL) — et se terminerait à un point critique liquide-liquide.

Si deux états liquides exist dans les conditions de surfusion, il est très difficile de les observer expérimentalement : à ces basses températures, l’eau est dans un état métastable et la moindre perturbation peut déclencher la solidification. L’équipe a donc utilisés des simulations informatique pour determiner quelles caractéristiques distinguent les deux liquides au niveau microscopique.

Dans leur simulation, les chercheurs ont utilises un modèle colloidal de l’eau, puis deux modèles moléculaires courants de l’eau. Les colloïdes sont des particules qui peuvent être mille fois plus grandes qu’une seule molecule d’eau; de ce fait, elles se displacent plus lentement et sont donc souvent utilisés pour observe et comprendre des phénomènes physicales se produisant à des échelles atomiques et moléculaires. « Ce modèle colloidal de l’eau sert de lupe pour observe l’eau moléculaire, et nous permet de percer les secrets de l’eau concernant ces deux liquides », declared Dr Dwaipayan Chakrabarti, professor at the School of Chemistry at the University of Birmingham and co-author of the study.

Un enchevêtrement qui pourrait s’observe pour d’autres liquides

Ils ont découvert que les molécules d’eau dans le liquide à haute densità form des arrangements considérables comme « topologiquement complex »; ils évoquent notably une forme de pretzel ou encore deux maillons d’une chaîne en acier (un lien de Hopf). Dans ce cas, les molécules du liquide à haute densità sont dites enchevêtrées. En revanche, les molécules du liquide à faible densità form pour la plupart des aneaux simples et, par consequent, ne sont pas enchevêtrées.

Instantaneous representatives of the LDL (a) and HDL (b) networks of colloidal water at T = 0.105, at a temperature inferior to the critical temperature Tc, and at pressures on the other side of the critical pressure Pc (P = 0.005 and P = 0.016). © A. Neophytou et al.

Ainsi, la phase liquide-liquide transition (LLPT) nouvellement identificée est la transition d’un réseau molecularire “non enchevêtré”, à un réseau “enchevêtré”, composé d’un ensemble de motifs topologiquement complexes. C’est comme si les molécules d’eau, à des températures très froides, se contorsionnaient pour former des nôdes et ne pas se transform en glace.

« Dans ce travail, nous proposons, pour la première fois, une vision de la transition de phase liquide-liquide based on les ideas d’intrication des réseaux. Je suis sûr que ce travail inspire une nouvelle modélisation théorique based on topological concepts », summed up Professor Francesco Sciortino of the University « La Sapienza » de Rome, who participated in these researches. À noter que Sciortino faisait partie de l’équipe qui a proposé l’existence de la LLPT pour la premiere fois en 1992.

The team hopes that the model that it has conceived will open the way to new experiments that will validate the theory and extend the concept of enchevêtrés liquids to other liquids such as silicon. En savoir plus sur le comportement topologique de l’eau et d’autres liquides dans ces conditions extrême pourrait par ailleurs donner un aperçu de l’activité de la matière sur d’autre planètes.

Source: A. Neophytou et al., Nature Physics