L'eau peut rester liquide à des températures bien inférieures à 0 degré Celsius. Cette phase de surfusion est actuellement au centre de la recherche scientifique. Un modèle théorique développé à l'Université d'État de São Paulo (UNESP) au Brésil montre que dans l'eau surfondue, il existe un point critique auquel des propriétés telles que la dilatation thermique et la compressibilité présentent un comportement anormal.

Dirigé par Mariano de Souza, professeur au Département de physique de l'Institut des géosciences et des sciences exactes de l'UNESP à Rio Claro, l'étude a été soutenue par la FAPESP. Un article de Souza et de ses collaborateurs décrivant l'étude a été publié dans Rapports scientifiques .

"Notre étude montre que ce deuxième point critique est analogue à la transition liquide-gaz dans l'eau à environ 374 degrés Celsius et à une pression d'environ 22 mégapascals, " a dit Souza.

Les phases liquide et gazeuse coexistent dans l'eau à environ 374 degrés Celsius. La genèse de ce comportement exotique peut être observée, par exemple, dans un autocuiseur. À ce point, les propriétés thermodynamiques de l'eau commencent à afficher un comportement anormal. Pour cette raison, le point est considéré comme « critique ».

Dans le cas de l'eau surfondue, deux phases coexistent également, mais les deux sont liquides. L'un est plus dense et l'autre moins dense. Si le système continue à être refroidi de manière appropriée en dessous de 0 degrés Celsius, il arrive un moment sur le diagramme de phases où la stabilité des deux phases se brise, et l'eau commence à cristalliser. C'est le deuxième point critique, déterminé théoriquement par l'étude récente.

"L'étude montre que ce deuxième point critique se situe dans la plage de 180 kelvins [environ -93 degrés Celsius]. Au-dessus de ce point, l'eau liquide peut exister. C'est ce qu'on appelle de l'eau surfondue, " a déclaré Souza.

"La partie la plus intéressante est que le modèle théorique que nous avons développé pour l'eau peut être appliqué à tous les systèmes dans lesquels coexistent deux échelles d'énergie. Par exemple, elle s'applique à un système supraconducteur à base de fer dans lequel il existe également une phase nématique [avec des molécules orientées en lignes parallèles mais non disposées dans des plans bien définis]. Ce modèle théorique est issu de plusieurs expériences de dilatation thermique à basse température réalisées dans notre laboratoire de recherche."

Ce modèle universel a été obtenu au moyen d'un raffinement théorique du paramètre de Grüneisen, du nom du physicien allemand Eduard Grüneisen (1877-1949). Tout simplement, ce paramètre décrit les effets des variations de température et de pression sur un réseau cristallin.

"Notre analyse des paramètres Grüneisen et pseudo-Grüneisen peut être appliquée à une étude du comportement critique dans n'importe quel système avec deux échelles d'énergie. Il suffit de faire des ajustements appropriés aux paramètres critiques conformément au système d'intérêt, " a déclaré Souza.