Nous considérons normalement l'eau liquide comme désordonnée, les molécules se réorganisant sur une courte échelle de temps autour d'une structure moyenne. Maintenant, cependant, Des scientifiques de l'Université de Stockholm ont découvert deux phases du liquide avec de grandes différences de structure et de densité. Les résultats sont basés sur des études expérimentales utilisant des rayons X, qui sont maintenant publiés dans Actes de l'Académie nationale des sciences (NOUS).

La plupart d'entre nous savons que l'eau est essentielle à notre existence sur la planète Terre. Il est moins connu que l'eau a de nombreuses propriétés étranges ou anormales et se comporte très différemment de tous les autres liquides. Quelques exemples sont le point de fusion, la densité, la capacité calorifique, et dans l'ensemble, il existe plus de 70 propriétés de l'eau qui diffèrent de la plupart des liquides. Ces propriétés anormales de l'eau sont une condition préalable à la vie telle que nous la connaissons.

"La nouvelle propriété remarquable est que nous constatons que l'eau peut exister sous forme de deux liquides différents à basse température où la cristallisation de la glace est lente", dit Anders Nilsson, professeur de physique chimique à l'Université de Stockholm. La percée dans la compréhension de l'eau a été possible grâce à une combinaison d'études utilisant des rayons X au Argonne National Laboratory près de Chicago, où les deux structures différentes ont été mises en évidence et au grand laboratoire de rayons X DESY à Hambourg où la dynamique a pu être étudiée et a démontré que les deux phases étaient en fait des phases liquides. L'eau peut donc exister sous forme de deux liquides différents.

"C'est très excitant de pouvoir utiliser les rayons X pour déterminer les positions relatives entre les molécules à différents moments", dit Fivos Perakis, postdoctorat à l'Université de Stockholm avec une formation en spectroscopie optique ultrarapide. « Nous avons notamment pu suivre la transformation de l'échantillon à basse température entre les deux phases et démontré qu'il y a diffusion comme c'est le cas pour les liquides ».

Quand on pense à la glace c'est le plus souvent comme une commande, phase cristalline que vous sortez de la glacière, mais la forme de glace la plus courante dans notre système planétaire est amorphe, qui est désordonné, et il existe deux formes de glace amorphe avec une densité faible et élevée. Les deux formes peuvent s'interconvertir et il y a eu des spéculations qu'elles peuvent être liées à des formes d'eau liquide à faible et à haute densité. Étudier expérimentalement cette hypothèse a été un grand défi que le groupe de Stockholm a maintenant surmonté.

« J'ai longtemps étudié les glaces amorphes dans le but de déterminer si elles peuvent être considérées comme un état vitreux représentant un liquide gelé », dit Katrin Amann-Winkel, chercheur en Chimie Physique à l'Université de Stockholm. "C'est un rêve devenu réalité de suivre avec autant de détails comment un état vitreux de l'eau se transforme en un liquide visqueux qui se transforme presque immédiatement en un autre, encore plus visqueux, liquide de densité beaucoup plus faible".

"La possibilité de faire de nouvelles découvertes dans l'eau est totalement fascinante et une grande inspiration pour mes études futures", dit Daniel Mariedahl, Doctorant en Chimie Physique à l'Université de Stockholm. "Il est particulièrement excitant que les nouvelles informations aient été fournies par les rayons X depuis le pionnier du rayonnement X, Wilhelm Conrad Röntgen, lui-même a spéculé que l'eau peut exister sous deux formes différentes et que l'interaction entre elles pourrait donner lieu à ses propriétés étranges".

"Les nouveaux résultats soutiennent très fortement une image où l'eau à température ambiante ne peut pas décider sous laquelle des deux formes elle devrait être, haute ou basse densité, ce qui entraîne des fluctuations locales entre les deux", dit Lars G.M. Pettersson, professeur de physique chimique théorique à l'Université de Stockholm. "En résumé :l'eau n'est pas un liquide compliqué, mais deux liquides simples avec une relation compliquée."

Ces nouveaux résultats créent non seulement une compréhension globale de l'eau à différentes températures et pressions, mais aussi comment l'eau est affectée par les sels et les biomolécules importantes pour la vie. En outre, la compréhension accrue de l'eau peut conduire à de nouvelles idées sur la façon de purifier et de dessaler l'eau à l'avenir. Ce sera l'un des principaux défis pour l'humanité face au changement climatique mondial.