L'eau surfondue est vraiment deux liquides en un. C'est la conclusion à laquelle est parvenue une équipe de recherche du Pacific Northwest National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis après avoir effectué les toutes premières mesures d'eau liquide à des températures beaucoup plus froides que son point de congélation typique.

La découverte, publié aujourd'hui dans la revue Science , fournit des données expérimentales recherchées depuis longtemps pour expliquer certains des comportements étranges que l'eau présente à des températures extrêmement froides trouvées dans l'espace extra-atmosphérique et aux confins de l'atmosphère terrestre. Jusqu'à maintenant, l'eau liquide aux températures les plus extrêmes possibles a fait l'objet de théories et de conjectures concurrentes. Certains scientifiques ont demandé s'il est même possible que l'eau existe vraiment sous forme liquide à des températures aussi basses que -117,7 F (190 K) ou si le comportement étrange est simplement la réorganisation de l'eau sur son chemin inévitable vers un solide.

L'argument est important parce que comprendre l'eau, qui couvre 71 pour cent de la surface de la Terre, est essentiel pour comprendre comment il régule notre environnement, notre corps et la vie elle-même.

"Nous avons montré que l'eau liquide à des températures extrêmement froides n'est pas seulement relativement stable, il existe en deux motifs structurels, " a déclaré Greg Kimmel, un physicien chimiste au PNNL. "Les résultats expliquent une controverse de longue date sur la question de savoir si l'eau profondément surfondue cristallise toujours avant de pouvoir s'équilibrer. La réponse est:non."

Eau surfondue :l'histoire de deux liquides

On pourrait penser que nous comprenons l'eau maintenant. C'est l'une des substances les plus abondantes et les plus étudiées de la planète. Mais malgré son apparente simplicité - deux atomes d'hydrogène et un atome d'oxygène par molécule - H 2 O est trompeusement compliqué.

Il est étonnamment difficile pour l'eau de geler juste en dessous de son point de fusion :l'eau résiste au gel à moins qu'elle n'ait quelque chose pour la faire démarrer, comme de la poussière ou un autre solide auquel s'accrocher. Dans l'eau pure, il faut un coup de coude énergique pour bousculer les molécules dans l'arrangement spécial nécessaire pour geler. Et il se dilate quand il gèle, ce qui est un comportement étrange par rapport à d'autres liquides. Mais cette étrangeté est ce qui maintient la vie sur Terre. Si les glaçons coulaient ou si la vapeur d'eau dans l'atmosphère ne retenait pas la chaleur, la vie sur Terre telle que nous la connaissons n'existerait pas.

Le comportement étrange de l'eau a occupé les physiciens chimistes Bruce Kay et Greg Kimmel pendant plus de 25 ans. Maintenant, eux et les scientifiques postdoctoraux Loni Kringle et Wyatt Thornley ont franchi une étape importante qui, ils l'espèrent, élargira notre compréhension des contorsions que les molécules d'eau liquide peuvent faire.

Divers modèles ont été proposés pour expliquer les propriétés inhabituelles de l'eau. Les nouvelles données obtenues à l'aide d'une sorte de « instantané » en stop-motion d'eau surfondue montrent qu'elle peut se condenser en une haute densité, structure de type liquide. Cette forme de densité plus élevée coexiste avec une structure de densité plus faible qui correspond davantage à la liaison typique attendue pour l'eau. La proportion de liquide à haute densité diminue rapidement lorsque la température passe de -18,7 F (245 K) à -117,7 F (190 K), soutenir les prédictions des modèles de « mélange » pour l'eau surfondue.

Kringle et Thornley ont utilisé la spectroscopie infrarouge pour espionner les molécules d'eau piégées dans une sorte de stop motion lorsqu'une fine couche de glace a été zappée avec un laser, créant une eau liquide en surfusion pendant quelques nanosecondes fugaces.

"Une observation clé est que tous les changements structurels étaient réversibles et reproductibles, " dit Kringle, qui a réalisé la plupart des expériences.

Graupel :c'est de l'eau surfondue !

Cette recherche peut aider à expliquer graupel, les granulés duveteux qui tombent parfois lors des tempêtes de temps frais. Graupel se forme lorsqu'un flocon de neige interagit avec de l'eau liquide en surfusion dans la haute atmosphère.

"L'eau liquide de la haute atmosphère est profondément refroidie, " dit Kay, un labo du PNNL et expert en physique de l'eau. "Quand il rencontre un flocon de neige, il gèle rapidement puis dans les bonnes conditions, tombe sur Terre. C'est vraiment le seul moment où la plupart des gens ressentiront les effets de l'eau surfondue."

Ces études peuvent également aider à comprendre comment l'eau liquide peut exister sur des planètes très froides - Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune—dans notre système solaire, et au-delà. La vapeur d'eau surfondue crée également les belles queues qui traînent derrière les comètes.

Gymnastique de la molécule d'eau

Ici sur Terre, une meilleure compréhension des contorsions que l'eau peut effectuer lorsqu'elle est placée dans une situation serrée, comme une seule molécule d'eau coincée dans une protéine, pourrait aider les scientifiques à concevoir de nouveaux médicaments.

"Il n'y a pas beaucoup d'espace pour les molécules d'eau qui entourent les protéines individuelles, ", a déclaré Kringle. "Cette recherche pourrait faire la lumière sur le comportement de l'eau liquide dans des environnements très serrés."

Thornley a noté que « dans les études futures, nous pouvons utiliser cette nouvelle technique pour suivre les réarrangements moléculaires sous-jacents à un large éventail de réactions chimiques."

Il y a encore beaucoup à apprendre, et ces mesures aideront à ouvrir la voie à une meilleure compréhension du liquide vital le plus abondant sur Terre.