Figure 1. (À gauche) L'eau surfondue est gelée avec des chocs (Droits d'auteur :Takeshi Fujino, KOWA Corporation, Niigata, Japon) (Droite) Instantané d'eau surfondue calculée à partir de nos simulations informatiques (rouge :oxygène, blanc :hydrogène, liaison jaune :liaison hydrogène). Crédit :Université d'Osaka
Quand Einstein préparait son doctorat, il a été parmi les premiers à expliquer comment les particules présentent des mouvements aléatoires dans les fluides. La diffusion est un processus physique important et la relation de Stokes-Einstein décrit comment les particules se diffusent à travers un fluide sur la base de la théorie hydrodynamique. Mais mystérieusement à basse température en dessous de la température de fusion, quelque chose change dans les liquides en surfusion et le comportement vitreux très visqueux qui en résulte ne peut plus être expliqué par la simple relation de Stokes-Einstein.
Maintenant, deux chercheurs de l'université d'Osaka et de l'université de Nagoya ont simulé de l'eau en surfusion avec des détails sans précédent pour expliquer le comportement anormal à basse température. Ils ont récemment publié leurs conclusions dans Avancées scientifiques .
"La plupart des liquides obéissent à l'équation de Stokes-Einstein sur une large plage de températures, mais certains changements inattendus de comportement se trouvent dans l'eau surfondue et d'autres matériaux vitreux, " co-auteur Kang Kim, de l'Université d'Osaka, dit. "La décomposition du comportement de Stokes-Einstein suggère une sorte de mouvements moléculaires anormaux même à l'état liquide, mais on ne sait pas quels sont ces comportements. »
La relation simple de Stokes-Einstein est basée sur des arguments sur la façon dont les molécules se déplacent de manière aléatoire au niveau microscopique. Mais dans de l'eau surfondue, les molécules commencent à ralentir de façon irrégulière. Les chercheurs ont montré à travers des simulations que certaines régions de l'eau sont plus affectées que d'autres, formation de liaisons hydrogène de manière hétérogène avec solidification partielle.
Les molécules d'eau se déplacent à travers l'eau visqueuse surfondue par sauts liés à la rupture de la liaison hydrogène. Le timing erratique de ce type de mouvement n'est pas pris en compte par l'équation de Stokes-Einstein.
Figure 2. Dans l'eau surfondue, deux molécules d'eau à liaison hydrogène (rouge :oxygène, blanc :hydrogène) présentent des mouvements de saut avec rupture de la liaison hydrogène. Les autres molécules d'eau sont colorées en bleu clair. Les liaisons hydrogène sont colorées en jaune. Crédit :Université d'Osaka
Leurs simulations leur ont permis d'examiner comment le réseau de liaisons hydrogène de l'eau surfondue a changé au fil du temps. Leur modélisation a clairement montré qu'une rupture intermittente des liaisons hydrogène contribuait à la rupture du comportement de Stokes-Einstein.
"Il y a des implications physiques intéressantes de ces découvertes car la violation de Stokes-Einstein est considérée comme une anomalie hydrodynamique de nombreux systèmes de matériaux vitreux, ", dit Kim. "Nos simulations aident à répondre aux questions sur ce qui se passe dans l'eau pure surfondue et pourraient également aider à expliquer d'autres comportements dynamiques dans d'autres matériaux vitreux technologiquement importants."
