Des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo ont passé au crible des données expérimentales pour sonder la possibilité que l'eau surfondue ait une transition de phase liquide-liquide entre des formes désordonnées et tétraédriques. Ils ont trouvé des preuves d'un point critique basé sur la formation coopérative de tétraèdres, et montrent son rôle mineur dans les anomalies de l'eau. Ce travail montre que les qualités spéciales de l'eau, qui sont essentielles à la vie, proviennent principalement de la caractéristique à deux états.

L'eau liquide est indispensable à la vie telle que nous la connaissons, pourtant, nombre de ses propriétés ne sont pas conformes au comportement des autres fluides. Certaines de ces anomalies, comme la densité maximale de l'eau à 4°C et sa grande capacité calorifique, ont des implications importantes pour les organismes vivants. L'origine de ces caractéristiques a suscité de vifs débats dans la communauté scientifique depuis l'époque de Röntgen.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de Tokyo ont utilisé un modèle à deux états qui postule la coexistence dynamique de deux types de structures moléculaires dans l'eau liquide. Ce sont la structure normale-liquide désordonnée familière et une structure tétraédrique localement favorisée. Comme pour beaucoup d'autres transitions de phase, il peut y avoir un "point critique" auquel la corrélation entre les tétraèdres prend une forme de loi de puissance, ce qui signifie qu'il n'y aura plus d'échelle de longueur "typique".

À l'aide de simulations informatiques de molécules d'eau, avec une analyse complète de la structure expérimentale, thermodynamique, et les données dynamiques, y compris la diffusion des rayons X, densité, compressibilité, et des mesures de viscosité - les chercheurs ont pu déterminer où un point critique devrait être, s'il existe.

« Si la formation de structures tétraédriques dans l'eau liquide est coopérative dans ces conditions, alors une transition de phase liquide-liquide avec un point critique est possible, ", a déclaré l'auteur principal Rui Shi.

L'équipe a montré que cela se produit autour d'une température de -90°C et d'une pression d'environ 1, 700 atmosphères. Les expériences dans cette gamme sont extrêmement difficiles :parce que l'eau est tellement en dessous de son point de congélation normal, des cristaux de glace peuvent se former rapidement. Cependant, les échantillons peuvent rester liquides dans un état « surfondu » métastable à ces très hautes pressions.

"Nous avons vu des preuves que le point critique est réel, mais son effet est presque négligeable dans la région expérimentalement accessible de l'eau liquide parce qu'elle est trop éloignée du point critique. Cela signifie que les anomalies de l'eau proviennent de la caractéristique à deux états et non de la criticité, ", déclare l'auteur principal Hajime Tanaka. Les scientifiques prévoient que ce projet conduira à la convergence du long débat sur l'origine des anomalies de l'eau et à davantage de recherches expérimentales pour accéder au deuxième point critique de l'eau.