L'une des choses les plus fondamentales qu'on nous enseigne dans les cours de sciences à l'école est que l'eau peut exister dans trois états différents, soit sous forme de glace solide, eau liquide, ou de vapeur de gaz. Mais une équipe internationale de scientifiques a récemment découvert des signes indiquant que l'eau liquide pourrait en fait provenir de deux états différents.

Rédaction dans un papier expérimental, publié dans le Revue internationale de nanotechnologie , les chercheurs ont été surpris de constater qu'un certain nombre de propriétés physiques de l'eau modifient leur comportement entre 50℃ et 60℃. Ce signe d'un changement potentiel vers un deuxième état liquide pourrait déclencher une discussion animée au sein de la communauté scientifique. Et, si confirmé, cela pourrait avoir des implications dans divers domaines, y compris la nanotechnologie et la biologie.

États de la matière, aussi appelées « phases », sont un concept clé dans l'étude des systèmes constitués d'atomes et de molécules. Grosso modo, un système formé de plusieurs molécules peut s'arranger dans un certain nombre de configurations en fonction de son énergie totale. A des températures plus élevées (et donc des énergies plus élevées), les molécules ont plus de configurations possibles et sont donc plus désorganisées et peuvent se déplacer relativement librement (la phase gazeuse). A des températures plus basses, les molécules ont un nombre plus limité de configurations et forment ainsi une phase plus ordonnée (un liquide). Si la température baisse encore, ils se rangent dans une configuration bien particulière, produire un solide.

Cette image est courante pour des molécules relativement simples comme le dioxyde de carbone ou le méthane, qui ont trois clair, différents états (liquide, solide et gaz). Mais pour des molécules plus complexes, il y a un plus grand nombre de configurations possibles et cela donne lieu à plus de phases. Une belle illustration en est le riche comportement des cristaux liquides, qui sont formés de molécules organiques complexes et peuvent s'écouler comme des liquides, mais ont toujours une structure cristalline de type solide

Parce que la phase d'une substance est déterminée par la configuration de ses molécules, de nombreuses propriétés physiques de cette substance changeront brusquement lorsqu'elle passera d'un état à un autre. Dans le récent article, les chercheurs ont mesuré plusieurs propriétés physiques révélatrices de l'eau à des températures comprises entre 0℃ et 100℃ dans des conditions atmosphériques normales (ce qui signifie que l'eau était un liquide). Étonnamment, ils ont trouvé un défaut dans des propriétés telles que la tension superficielle de l'eau et son indice de réfraction (une mesure de la façon dont la lumière la traverse) à environ 50 .

Structure spéciale

Comment se peut-il? La structure d'une molécule d'eau, H₂O, est très intéressant et peut être représenté comme une sorte de pointe de flèche, avec les deux atomes d'hydrogène flanquant l'atome d'oxygène au sommet. Les électrons dans la molécule ont tendance à être distribués de manière plutôt asymétrique, rendant le côté oxygène chargé négativement par rapport au côté hydrogène. Cette caractéristique structurelle simple conduit à une sorte d'interaction entre les molécules d'eau appelée liaison hydrogène, où les charges opposées s'attirent.

Cela donne à l'eau des propriétés qui, dans de nombreux cas, casser les tendances observées pour les autres liquides simples. Par exemple, contrairement à la plupart des autres substances, une masse fixe d'eau prend plus de place en tant que solide (glace) qu'en tant que (liquide) en raison de la façon dont ses molécules forment une structure régulière spécifique. Un autre exemple est la tension superficielle de l'eau liquide, qui est à peu près le double de celui des autres non polaires, plus simple, liquides.

L'eau est assez simple, mais pas trop simple. Cela signifie qu'une possibilité pour expliquer la phase supplémentaire apparente de l'eau est qu'elle se comporte un peu comme un cristal liquide. Les liaisons hydrogène entre les molécules maintiennent un certain ordre à basse température, mais pourrait éventuellement prendre une seconde, phase liquide moins ordonnée à des températures plus élevées. Cela pourrait expliquer les défauts observés par les chercheurs dans leurs données.

Si confirmé, les conclusions des auteurs pourraient avoir de nombreuses applications. Par exemple, si des changements dans l'environnement (comme la température) entraînent des changements dans les propriétés physiques d'une substance, alors cela peut potentiellement être utilisé pour des applications de détection. Peut-être plus fondamentalement, les systèmes biologiques sont principalement constitués d'eau. La façon dont les molécules biologiques (telles que les protéines) interagissent les unes avec les autres dépend probablement de la manière spécifique dont les molécules d'eau s'arrangent pour former une phase liquide. Comprendre comment les molécules d'eau s'organisent en moyenne à différentes températures pourrait éclairer le fonctionnement de leur interaction dans les systèmes biologiques.

La découverte est une opportunité passionnante pour les théoriciens et les expérimentateurs, et un bel exemple de la façon dont même la substance la plus familière a encore des secrets cachés à l'intérieur.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.