Buvez dans ce factoid :l'eau est le liquide le plus étrange de tous.

La plupart des fluides ont des comportements prévisibles et similaires. Mais contrairement à d'autres fluides, l'eau est la plus dense sous forme liquide, pas un solide. La vie aquatique survit à l'hiver parce que la glace flotte au lieu de couler et de s'étendre dans un immense glacier solide. Les propriétés uniques mais étranges de l'eau aident à soutenir la vie.

Depuis des décennies, scientifiques ont essayé de comprendre ce qui se passe avec le comportement étrange de l'eau. Les réponses semblent se trouver dans une fenêtre longtemps cachée de températures extrêmes.

En 2020, les scientifiques du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont fait un grand pas en avant dans la compréhension du phénomène. Détaillé dans le journal Science , l'équipe a utilisé une technique de chauffage laser révolutionnaire qui a révélé, pour la première fois, les changements à l'échelle nanométrique que subit l'eau liquide en surfusion entre -117,7 degrés Fahrenheit (190 K) et -18,7 degrés Fahrenheit (245 K).

La technique a retiré le rideau de cette fenêtre de température précédemment enveloppée où se produisent les changements structurels étranges et subtils de l'eau. Le physicien chimiste du PNNL, Greg Kimmel, a décrit cette étendue inexplorée comme "le jeu de balle complet pour comprendre la structure de l'eau".

Ce jeu de balle fait partie du programme Condensed Phase and Interfacial Molecular Sciences parrainé par l'Office of Basic Energy Science du département américain de l'Énergie. Le programme finance des recherches pour comprendre la physique et la chimie fondamentales des systèmes éloignés de l'équilibre, et comment ils parviennent à l'équilibre. Dans ce cas, ce système est des liquides - en particulier, l'eau.

"L'eau est l'un des solvants les plus importants que nous ayons, " a déclaré Kimmel. "Nous essayons de mieux comprendre comment l'eau se comporte aux interfaces, en confinement et en solutions, comment il se condense et se cristallise, etc."

Les implications sont de grande envergure, allant des processus biologiques et physiques liés au changement climatique, à de meilleures chimies pour le traitement de l'énergie et du nucléaire, à de nouveaux médicaments pour lutter contre les maladies.

Des chercheurs de tous ces domaines vont bientôt se côtoyer au Centre des sciences de l'énergie du PNNL, ouverture prévue fin 2021. Le nouveau 140, Le lieu de 1000 pieds carrés accueillera jusqu'à 250 théoriciens, expérimentateurs, scientifiques invités, et le personnel de soutien, sans parler de la dernière instrumentation scientifique. Kimmel et ses collègues sont impatients de travailler dans un environnement collaboratif tout en restant concentrés sur l'eau en surfusion.

Une question d'équilibre ou pas

« Au fur et à mesure que vous baissez la température, la plupart des molécules liquides s'entassent très étroitement et sont très denses. Mais en dessous de 39 degrés Fahrenheit, l'eau c'est tout le contraire, " a expliqué Loni Kringle, qui a travaillé comme chercheur postdoctoral avec l'équipe de Kimmel sur les études sur l'eau surfondue. "Les molécules d'eau forment des liaisons tétraédriques qui prennent beaucoup de place. Lorsque l'eau se refroidit, il se dilate et diminue en densité. » Pensez aux glaçons qui sortent de leur plateau.

Les scientifiques comprennent très bien cette grande image, mais comment ça se passe en détail ? Pas tellement.

L'eau qui reste sous forme liquide bien en dessous du point de congélation normal - appelée eau surfondue - est loin du véritable équilibre, l'état le plus stable. Si sa structure ne change pas, l'eau est dans un état dit métastable. Les expériences de Kimmel et de son équipe ont mesuré la vitesse à laquelle l'eau en surfusion se détend de sa configuration de départ à « l'équilibre métastable » avant de cristalliser.

"Que vous souhaitiez que votre matériau atteigne l'équilibre ou non dépend des propriétés que vous voulez lui donner, " a expliqué Kimmel, en utilisant les déchets radioactifs comme exemple. "Si vous voulez capturer et conserver des noyaux radioactifs, vous voulez entretenir un verre, pas un matériau cristallin, qui peut faire pousser des grains et expulser les impuretés de la surface. Ce serait un problème."

Des déchets de rots à l'eau surfondue

Kimmel a rejoint le PNNL en 1992 pour étudier les réactions responsables de l'accumulation et de la libération soudaine d'hydrogène gazeux à partir des déchets nucléaires stockés dans des réservoirs souterrains sur le site de Hanford du DOE. Il a simulé le processus de "rot" en projetant des électrons sur de minces couches d'eau.

Son travail s'alignait bien sur les recherches de son collègue scientifique du PNNL Bruce Kay sur la structure et la cinétique des films aux interfaces, en examinant comment l'eau se désorbe et l'énergie se libère dans une gamme de températures. Les deux scientifiques ont poursuivi l'idée d'essayer le chauffage au laser pour mesurer la vitesse à laquelle l'eau cristallise et diffuse.

Des théories existaient sur les transformations structurelles réversibles avant que l'eau ne cristallise, à des températures supérieures à -171 degrés Fahrenheit (160 K) et inférieures à -36 degrés Fahrenheit (235 K) - mais il n'y avait aucune preuve. Les expériences précédentes ont sauté juste au-dessus de la durée.

"Cette plage de température est très difficile à atteindre et à contrôler expérimentalement, et c'est ce que la technique de chauffage pulsé a surmonté, " a expliqué Kringle. Elle a travaillé aux côtés d'un autre chercheur postdoctoral, Wyatt Thornley, pour effectuer les expériences et aider à analyser les données.

La recherche de suivi de l'équipe, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences en avril, examiné "les détails de la cinétique - comment les films d'eau se détendent en deux motifs structurels, " a déclaré Kringle. "Nous avons examiné les détails des changements structurels, aller au-delà des observations qualitatives en calculant les écarts en partant des températures élevées versus basses, puis comparer les résultats avec les modèles de la littérature."