Nouvelle preuve que l'eau se sépare en deux liquides différents à basse température

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Un nouveau type de "transition de phase" dans l'eau a été proposé pour la première fois il y a 30 ans dans une étude menée par des chercheurs de l'Université de Boston. Parce que la transition a été prédite pour se produire dans des conditions de surfusion, cependant, confirmer son existence a été un défi. C'est parce qu'à ces basses températures, l'eau ne veut vraiment pas être liquide, mais plutôt rapidement devenir de la glace. En raison de son statut caché, on ignore encore beaucoup de choses sur cette transition de phase liquide-liquide, contrairement aux exemples quotidiens de transitions de phase dans l'eau entre une phase solide ou vapeur et une phase liquide.

Cette nouvelle preuve, publiée dans Nature Physics , représente un pas en avant significatif dans la confirmation de l'idée d'une transition de phase liquide-liquide proposée pour la première fois en 1992. Francesco Sciortino, aujourd'hui professeur à la Sapienza Università di Roma, était membre de l'équipe de recherche originale de l'Université de Boston et est également co -auteur de cet article.

L'équipe a utilisé des simulations informatiques pour aider à expliquer quelles caractéristiques distinguent les deux liquides au niveau microscopique. Ils ont découvert que les molécules d'eau dans le liquide à haute densité forment des arrangements considérés comme "topologiquement complexes", comme un nœud de trèfle (pensez aux molécules disposées de telle manière qu'elles ressemblent à un bretzel) ou un lien de Hopf ( penser à deux maillons d'une chaîne en acier). On dit alors que les molécules du liquide à haute densité sont intriquées.

En revanche, les molécules du liquide à faible densité forment principalement des anneaux simples et, par conséquent, les molécules du liquide à faible densité ne sont pas enchevêtrées.

Andreas Neophytou, un Ph.D. étudiant à l'Université de Birmingham avec le Dr Dwaipayan Chakrabarti, est l'auteur principal de l'article. Il dit :"Cette idée nous a fourni une vision complètement nouvelle de ce qui est maintenant un problème de recherche vieux de 30 ans et, espérons-le, ce ne sera que le début."

Les chercheurs ont utilisé un modèle colloïdal d'eau dans leur simulation, puis deux modèles moléculaires d'eau largement utilisés. Les colloïdes sont des particules qui peuvent être mille fois plus grosses qu'une seule molécule d'eau. En raison de leur taille relativement plus grande, et donc de leurs mouvements plus lents, les colloïdes sont utilisés pour observer et comprendre des phénomènes physiques qui se produisent également à des échelles de longueur atomique et moléculaire beaucoup plus petites.

Anomalies thermodynamiques et LLCP dans l'eau colloïdale. un , Schéma de l'auto-assemblage hiérarchique de particules inégales triblocs conduisant à un modèle colloïdal de l'eau. Les deux patchs, étiquetés A et B, sont de tailles différentes et forment des liaisons de forces différentes. Les patchs A (rouge) forment des liaisons plus fortes que les patchs B (bleu) de manière à coder l'assemblage en deux étapes lors du refroidissement. b , L'évolution de la densité réduite ρ ^⋆ en fonction de la température réduite T ^⋆ pour différentes pressions réduites P ^⋆ , où P ^⋆ × 10³ = 5, 6, 7, 7.5, 8.5, 9, 10, 12, 14 et 16. La flèche indique le sens d'augmentation de P ^⋆ . L'encart met en évidence le maximum de densité pour P ^⋆ × 10³ = 5, 6, 7 et 7,5. c , L'évolution du coefficient de dilatation thermique réduit (α⋆PαP⋆{\alpha }_{P}^{\star}), la compressibilité isotherme (κ⋆TκT⋆{\kappa }_{T}^{\star}) et la capacité calorifique isobare (c⋆PcP⋆{c}_{P}^{\star}) en fonction de T ^⋆ à P ^⋆ = 0,0085 (proche de la pression critique). Les barres d'erreur représentent l'écart type sur cinq ensembles de trajectoires Monte Carlo, chacune de 1 × 10⁸ cycles. d , La dépendance de ρ ^⋆ et la fraction de liaisons BB formées (f _b ) sur P ^⋆ à T ^⋆ = 0.105 et T ^⋆ = 0,112. e , La distribution du paramètre d'ordre M pour l'eau colloïdale (symboles bleus), calculé par repesée d'histogramme, avec T ^⋆ ≈ 0,1075, P ^⋆ ≈ 0.0082 et s ≈ 0,627, par rapport à la distribution universelle d'Ising 3D correspondante (ligne rouge continue). Crédit :Physique de la nature (2022). DOI :10.1038/s41567-022-01698-6

Le Dr Chakrabarti, co-auteur, déclare :"Ce modèle colloïdal d'eau fournit une loupe dans l'eau moléculaire et nous permet de percer les secrets de l'eau concernant l'histoire de deux liquides."

Le professeur Sciortino déclare :"Dans ce travail, nous proposons, pour la première fois, une vision de la transition de phase liquide-liquide basée sur des idées d'intrication de réseau. Je suis sûr que ce travail inspirera une nouvelle modélisation théorique basée sur des concepts topologiques."

L'équipe s'attend à ce que le modèle qu'ils ont conçu ouvrira la voie à de nouvelles expériences qui valideront la théorie et étendront le concept de liquides "intriqués" à d'autres liquides tels que le silicium.

Pablo Debenedetti, professeur d'ingénierie chimique et biologique à l'Université de Princeton aux États-Unis et expert mondial dans ce domaine de recherche, remarque :"Ce magnifique travail informatique révèle la base topologique sous-jacente à l'existence de différentes phases liquides dans le même réseau. -substance formatrice.

"Ce faisant, il enrichit et approfondit considérablement notre compréhension d'un phénomène qui, selon de nombreuses preuves expérimentales et informatiques, est de plus en plus au cœur de la physique du liquide le plus important :l'eau."

Christian Micheletti, professeur à l'École internationale d'études avancées de Trieste, en Italie, dont l'intérêt de recherche actuel réside dans la compréhension de l'impact de l'enchevêtrement, en particulier des nœuds et des liens, sur la statique, la cinétique et la fonctionnalité des biopolymères, déclare :"Avec cet article unique , Neophytou et al. ont fait plusieurs percées qui auront des conséquences dans divers domaines scientifiques.

"Premièrement, leur modèle colloïdal élégant et expérimental pour l'eau ouvre des perspectives entièrement nouvelles pour les études à grande échelle des liquides. Au-delà de cela, ils donnent des preuves très solides que les transitions de phase qui peuvent être insaisissables pour l'analyse traditionnelle de la structure locale des liquides sont plutôt facilement capté en suivant les nœuds et les liens dans le réseau de liaison du liquide.

"L'idée de rechercher de telles complexités dans l'espace quelque peu abstrait des voies le long des liaisons moléculaires transitoires est très puissante, et je pense qu'elle sera largement adoptée pour étudier les systèmes moléculaires complexes."

Sciortino dit :"L'eau, l'une après l'autre, révèle ses secrets. Rêvez comme ce serait beau si nous pouvions regarder à l'intérieur du liquide et observer la danse des molécules d'eau, la façon dont elles scintillent et la façon dont elles échangent des partenaires, se restructurent le réseau de liaisons hydrogène. La réalisation du modèle colloïdal de l'eau que nous proposons peut faire de ce rêve une réalité." + Explorer plus loin