Le manque de couleur de l'eau, le goût et l'odorat le rendent simple - et au niveau moléculaire, il est. Cependant, lorsque de nombreuses molécules d'eau se réunissent, elles forment un réseau très complexe de liaisons hydrogène. On pense que ce réseau est responsable de nombreuses propriétés particulières de l'eau liquide, mais son comportement n'est pas encore entièrement compris.

Maintenant, les chercheurs ont sondé les mouvements de molécules dans l'eau liquide qui se produisent en moins de 100 millionièmes de milliardième de seconde, ou femtosecondes. Une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Université de Stockholm a réalisé les expériences avec le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) au Laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie. Ils ont publié leur rapport cette semaine dans Communication Nature .

L'étude est la première à « photographier » des molécules d'eau à cette échelle de temps avec une technique appelée spectroscopie de corrélation de photons à rayons X ultrarapide, qui fait rebondir les rayons X sur les molécules pour produire une série de motifs de diffraction. La variation de la durée des impulsions radiographiques fait essentiellement varier le temps d'exposition, et tout mouvement des molécules d'eau pendant une exposition brouillera l'image résultante. En analysant le flou produit par différents temps d'exposition, les scientifiques ont pu extraire des informations sur le mouvement moléculaire.

Sur cette échelle de temps, il a été supposé que les molécules d'eau se déplacent de manière aléatoire en raison de la chaleur, se comportant plus comme un gaz que comme un liquide. Cependant, les expériences indiquent que le réseau de liaisons hydrogène joue un rôle même sur cette échelle de temps ultrarapide, coordonner les mouvements des molécules d'eau dans une danse complexe, qui devient encore plus prononcée lorsque l'eau est "surfondue" en dessous de son point de congélation normal.

"La clé pour comprendre l'eau au niveau moléculaire est d'observer les changements du réseau de liaisons hydrogène, qui peut jouer un rôle majeur dans l'activité biologique et la vie telle que nous la connaissons, " dit Anders Nilsson, professeur à l'Université de Stockholm et ancien professeur au SLAC.

Ajoute Fivos Perakis, chercheur à l'Université de Stockholm, "C'est une toute nouvelle capacité de pouvoir utiliser des lasers à rayons X pour voir le mouvement des molécules en temps réel. Cela peut ouvrir un tout nouveau champ d'investigation sur ces échelles de temps, combinée à la sensibilité structurelle unique des rayons X."

Les résultats expérimentaux ont été reproduits par des simulations informatiques, qui indiquent que la danse coordonnée des molécules d'eau est due à la formation de structures tétraédriques transitoires.

"J'étudie depuis longtemps la dynamique de l'eau liquide et surfondue à l'aide de simulations informatiques, et c'est très excitant de pouvoir enfin comparer directement avec des expériences, " dit Gaïa Camisasca, un chercheur postdoctoral à l'Université de Stockholm qui a effectué les simulations informatiques pour cette étude. "J'ai hâte de voir les futurs résultats qui peuvent sortir de cette technique, ce qui peut aider à améliorer les modèles informatiques actuels de l'eau."