Des scientifiques ont découvert un nouvel état de la matière pour l’eau

L’une des choses les plus fondamentales que l’on nous enseigne dans les cours de sciences à l’école est que l’eau peut exister sous trois états différents, soit sous forme de glace solide, d’eau liquide ou de gaz de vapeur. Mais une équipe internationale de scientifiques a récemment trouvé des signes que l’eau liquide pourrait en fait se présenter sous deux états différents.

Dans un article expérimental, publié dans l’International Journal of Nanotechnology, les chercheurs ont été surpris de constater qu’un certain nombre de propriétés physiques de l’eau changent de comportement entre 50℃ et 60℃. Ce signe d’un changement potentiel vers un second état liquide pourrait susciter une discussion animée dans la communauté scientifique. Et, s’il est confirmé, il pourrait avoir des implications pour toute une série de domaines, notamment la nanotechnologie et la biologie.

Les états de la matière, également appelés « phases », sont un concept clé dans l’étude des systèmes constitués d’atomes et de molécules. Grosso modo, un système formé de nombreuses molécules peut être disposé dans un certain nombre de configurations en fonction de son énergie totale. À des températures plus élevées (et donc à des énergies plus élevées), les molécules ont plus de configurations possibles et sont donc plus désorganisées et peuvent se déplacer relativement librement (phase gazeuse). À des températures plus basses, les molécules ont un nombre plus limité de configurations et forment donc une phase plus ordonnée (un liquide). Si la température descend encore, elles s’arrangent dans une configuration très spécifique, produisant un solide.

Cette image est commune pour des molécules relativement simples comme le dioxyde de carbone ou le méthane, qui ont trois états clairs et différents (liquide, solide et gaz). Mais pour les molécules plus complexes, il existe un plus grand nombre de configurations possibles, ce qui donne lieu à un plus grand nombre de phases. Une belle illustration de ce phénomène est le riche comportement des cristaux liquides, qui sont formés par des molécules organiques complexes et peuvent s’écouler comme des liquides, tout en ayant une structure cristalline de type solide.

Parce que la phase d’une substance est déterminée par la façon dont ses molécules sont configurées, de nombreuses propriétés physiques de cette substance changeront brusquement lorsqu’elle passera d’un état à un autre. Dans le récent article, les chercheurs ont mesuré plusieurs propriétés physiques révélatrices de l’eau à des températures comprises entre 0℃ et 100℃ dans des conditions atmosphériques normales (ce qui signifie que l’eau était liquide). De manière surprenante, ils ont constaté un coude dans des propriétés telles que la tension superficielle de l’eau et son indice de réfraction (une mesure de la façon dont la lumière la traverse) aux alentours de 50℃.

Structure particulière

Comment cela peut-il être ? La structure d’une molécule d’eau, H₂O, est très intéressante et peut être représentée comme une sorte de pointe de flèche, avec les deux atomes d’hydrogène flanquant l’atome d’oxygène en haut. Les électrons de la molécule ont tendance à être distribués de manière plutôt asymétrique, ce qui fait que le côté oxygène est chargé négativement par rapport au côté hydrogène. Cette simple caractéristique structurelle conduit à un type d’interaction entre les molécules d’eau connu sous le nom de liaison hydrogène, dans lequel les charges opposées s’attirent mutuellement.

Ceci confère à l’eau des propriétés qui, dans de nombreux cas, rompent avec les tendances observées pour d’autres liquides simples. Par exemple, contrairement à la plupart des autres substances, une masse fixe d’eau prend plus de place à l’état solide (glace) qu’à l’état (liquide) en raison de la façon dont ses molécules forment une structure régulière spécifique. Un autre exemple est la tension superficielle de l’eau liquide, qui est environ deux fois supérieure à celle d’autres liquides non polaires, plus simples.

L’eau est assez simple, mais pas trop. Cela signifie qu’une possibilité pour expliquer l’apparente phase supplémentaire de l’eau est qu’elle se comporte un peu comme un cristal liquide. Les liaisons hydrogène entre les molécules maintiennent un certain ordre à basse température, mais pourraient éventuellement prendre une seconde phase liquide moins ordonnée à des températures plus élevées. Cela pourrait expliquer les coudes observés par les chercheurs dans leurs données.

Si elles sont confirmées, les découvertes des auteurs pourraient avoir de nombreuses applications. Par exemple, si des changements dans l’environnement (comme la température) provoquent des changements dans les propriétés physiques d’une substance, alors cela peut potentiellement être utilisé pour des applications de détection. Peut-être plus fondamentalement, les systèmes biologiques sont principalement constitués d’eau. La manière dont les molécules biologiques (telles que les protéines) interagissent entre elles dépend probablement de la manière spécifique dont les molécules d’eau s’organisent pour former une phase liquide. Comprendre comment les molécules d’eau s’arrangent en moyenne à différentes températures pourrait éclairer le fonctionnement de leur interaction dans les systèmes biologiques.

Cette découverte est une opportunité passionnante pour les théoriciens et les expérimentateurs, et un bel exemple de la façon dont même la substance la plus familière cache encore des secrets.

Cet article est initialement paru sur The Conversation. Suivez le site @US_conversation sur Twitter.