L'eau est partout. Mais ce n'est pas pareil partout. Lorsqu'ils sont congelés sous des pressions et des températures extrêmes, la glace prend une gamme de structures cristallines complexes.

De nombreuses propriétés et comportements de ces glaces exotiques restent mystérieux, mais une équipe de chercheurs a récemment fourni une nouvelle compréhension. Ils ont analysé comment les molécules d'eau interagissent entre elles dans trois types de glace et ont découvert que les interactions dépendaient fortement de l'orientation des molécules et de la structure globale de la glace. Les chercheurs décrivent leurs résultats dans The Journal de physique chimique .

"Les nouveaux travaux nous ont donné de nouvelles informations spectaculaires sur le comportement des molécules d'eau lorsqu'elles sont emballées dans des environnements denses et structurellement complexes, " a déclaré Christoph Salzmann de l'University College London. " En fin de compte, cette connaissance nous permettra de mieux comprendre l'eau liquide ainsi que l'eau entourant les biomolécules."

L'eau est, bien sûr, essentiel à la vie telle que nous la connaissons. Mais il est également unique en raison de sa forme moléculaire courbée, avec deux atomes d'hydrogène suspendus à un atome d'oxygène à un angle. La molécule globale a une polarité électrique, avec des côtés chargés positivement et négativement. En raison de ces propriétés, les molécules d'eau peuvent s'emboîter de diverses manières lorsqu'elles se solidifient en glace.

Comme l'eau gèle généralement sur Terre, les molécules s'assemblent en un réseau avec des unités structurelles en forme d'hexagones. Mais à des pressions extrêmement élevées et à des températures basses, les molécules peuvent s'arranger de manières plus complexes, formant 17 phases différentes, dont certaines peuvent exister sur les lunes glacées des planètes extérieures.

Alors que les structures elles-mêmes sont connues, les scientifiques ne comprennent pas encore pleinement comment les molécules interagissent et s'affectent les unes les autres, a déclaré Peter Hamm de l'Université de Zurich. Dans ces phases glaciaires, les molécules sont liées entre elles, s'influencent les uns les autres comme s'ils étaient tous reliés par des ressorts.

Pour comprendre ces interactions, Salzmann, Hamm et leur équipe ont utilisé la spectroscopie infrarouge 2-D sur trois phases de glace avec des structures diverses :glace II, glace V et glace XIII. Dans cette méthode, ils ont tiré une séquence d'impulsions laser infrarouges ultracourtes pour exciter les liaisons moléculaires dans la glace, les faisant vibrer.

Au fur et à mesure que les vibrations moléculaires redescendent à un état d'énergie plus faible, la molécule émet de la lumière à des fréquences infrarouges. En mesurant comment l'intensité de l'émission infrarouge dépend des fréquences de l'impulsion et du rayonnement émis, produisant des spectres 2D, les chercheurs peuvent déterminer comment les molécules interagissent les unes avec les autres.

Après avoir recueilli des données sur la glace, dont certains ont dû être gelés à moins de -200 degrés Celsius et à des pressions plusieurs milliers de fois supérieures à celles de l'atmosphère au niveau de la mer, les chercheurs ont utilisé des simulations informatiques des interactions moléculaires pour aider à interpréter leurs résultats. Alors que les simulations correspondaient aux données pour la glace II, ils ne l'ont pas fait pour la glace V et XIII, ce qui témoigne de la complexité du système.

Toujours, les informations de ce type d'analyse peuvent aider à éclairer les simulations informatiques utilisées pour modéliser le comportement de molécules biologiques comme les protéines, qui sont généralement entourés d'eau.

"La glace d'eau est importante, et nous devons être capables de le comprendre à un niveau très microscopique, " a déclaré Hamm. " Nous pouvons alors mieux comprendre comment l'eau interagit avec d'autres molécules, et en particulier les biomolécules."