L'eau, toujours important, toujours controversé, toujours fascinant, reste surprenant. Pour une substance omniprésente sur Terre, les trois quarts de notre planète en sont recouverts, les chercheurs peuvent encore être surpris par certaines de ses propriétés, selon le chimiste de l'Université d'État de l'Arizona C. Austen Angell.

Angèle, un professeur régent à l'École des sciences moléculaires de l'ASU, a passé une bonne partie de sa brillante carrière à rechercher certaines des propriétés physiques les plus curieuses de l'eau. Dans une nouvelle étude qui vient d'être publiée dans Science (9 mars), Angell et ses collègues de l'Université d'Amsterdam ont, pour la première fois, observé l'une des propriétés les plus intrigantes prédites par les théoriciens de l'eau - que, sur refroidissement suffisant et dans des conditions spécifiques, il passera soudainement d'un liquide à un autre. Le nouveau liquide est toujours de l'eau, mais il est maintenant de densité inférieure et avec un arrangement différent des molécules à liaison hydrogène avec une liaison plus forte qui en fait un liquide plus visqueux.

"Cela n'a rien à voir avec 'la poly-eau, '" Angell ajoute en rappelant un fiasco scientifique d'il y a plusieurs décennies. Le nouveau phénomène est une transition de phase liquide-liquide, et jusqu'à présent, il n'avait été observé que dans des simulations informatiques de modèles d'eau.

Le problème avec l'observation de ce phénomène directement dans l'eau réelle est que, peu de temps avant que la théorie ne dise que cela devrait arriver, la vraie eau cristallise soudainement en glace. Cela a été appelé le "rideau de cristallisation" et il a retardé les progrès dans la compréhension de la physique de l'eau et de l'eau en biologie pendant des décennies.

"Le domaine entre cette température de cristallisation et la température beaucoup plus basse à laquelle l'eau vitreuse (formée par le dépôt de molécules d'eau à partir de la vapeur) cristallise pendant le chauffage a été connu comme un "no man's land", '", a déclaré Angell. "Nous avons trouvé un moyen d'écarter le 'rideau de cristallisation' juste assez pour voir ce qui se passe derrière - ou plus correctement, dessous, " dit Angell.

Les transitions de phase de l'eau sont importantes à comprendre pour une multitude d'applications. Par exemple, le soulèvement bien connu et destructeur des routes et des sentiers en béton en hiver est dû à la transition de phase de l'eau à la glace sous le béton. La transition de phase entre les états liquides, décrit dans les travaux en cours, a beaucoup en commun avec la transition vers la glace mais elle se produit à une température beaucoup plus basse, environ -90 C (-130 F), et uniquement dans des conditions de surfusion, il est donc susceptible de rester principalement une curiosité scientifique dans un avenir prévisible.

Angell a expliqué qu'il y a quelques années, lui et son associé de recherche Zuofeng Zhao, étudiaient le comportement thermique d'un type spécial de solution aqueuse "idéale" qu'ils utilisaient pour explorer le repliement et le dépliement des protéines globulaires. Ils ont voulu observer la capacité de ces solutions à sur-refroidir puis à se vitrifier. Cherchant la limite du domaine vitreux, ils ont ajouté de l'eau supplémentaire pour augmenter la probabilité de cristallisation de la glace et ont constaté qu'au lieu de finalement dégager de la chaleur lorsque la glace a cristallisé (laissant une solution résiduelle non congelée) comme c'est normalement le cas lors du refroidissement des solutions salines, il dégageait en fait de la chaleur pour former une nouvelle phase liquide.

Le nouveau liquide était beaucoup plus visqueux, peut-être même vitreux. Par ailleurs, en inversant le sens du changement de température, Angell et Zhao ont découvert qu'ils pouvaient transformer la nouvelle phase en solution d'origine avant que la glace ne commence à cristalliser.

« Ce constat, publié dans Angewandte Chemie, suscité un intérêt considérable, mais il n'y avait pas d'informations structurelles pour expliquer ce qui se passait, " a dit Angell. Cela a changé quand Angell a visité l'Université d'Amsterdam il y a deux étés, et rencontré Sander Woutersen, un spécialiste de la spectroscopie infrarouge qui s'est beaucoup intéressé aux aspects structurels du phénomène.

Dans l'article de Science, l'équipe avec Woutersen, son étudiant Michiel Hilbers et son collègue informaticien Bernd Ensing ont maintenant montré que les structures impliquées dans la transition liquide-liquide ont les mêmes signatures spectroscopiques - et les mêmes schémas de liaison hydrogène - comme on le voit dans les deux formes vitreuses connues de glace produites par de laborieux procédés alternatifs (phases solides amorphes de haute et basse densité de l'eau).

"La transition liquide-liquide que nous avions trouvée était maintenant considérée comme "l'analogue vivant" du changement entre deux états vitreux de l'eau pure qui avait été rapporté en 1994, en utilisant la pression pure comme force motrice, " expliqua Angell.

Les résultats sembleraient "fournir une preuve directe de l'existence d'une transition liquide-liquide derrière le" rideau de cristallisation "dans l'eau pure, " Woutersen a dit, ajoutant que les résultats offrent une explication générale des anomalies thermodynamiques de l'eau liquide, et une validation de la "théorie du deuxième point critique" avancée par le groupe de Gene Stanley pour expliquer ces anomalies.

"Ce comportement est presque unique parmi la myriade de liquides moléculaires connus, " Angell a ajouté. " Seules quelques autres substances sont censées l'exposer, mais aucun n'a été prouvé à ce jour."