Si notre chère Terre se prénomme la planète bleue, c’est bien parce que 72 % de sa surface est composée d’eau. L’eau, cet élément indispensable à notre vie qui nous paraît si ordinaire, mais qui recèle pourtant encore bien des secrets aux yeux des chimistes et des physiciens. Un groupe de chercheurs vient d’ailleurs de découvrir que l’eau liquide serait en fait un mélange de deux formes liquides.
Des rayons X pour percer les mystères de le l’eau
La diffraction aux rayons X est une méthode de la cristallographie. Cette science découverte vers 1915 par William Henry Bragg et William Lawrence Bragg (son fils) a su révolutionner notre compréhension de la matière. Elle demeure aujourd’hui un outil capital de détermination de la structure cristalline de tout ce qui nous entoure. Elle est donc très utile pour comprendre le fonctionnement des éléments.
Dans leur publication disponible sur Pnas, une équipe internationale de physiciens explique comment ils ont utilisé la diffraction des rayons X pour étudier et mieux comprendre la structure de l’eau, notamment dans son passage de l’état solide à l’état liquide. À cette méthode s’ajoute la spectroscopie des photons-corrélations, qui donne un aperçu du mouvement à l’échelle nanométrique. L’aspect unique de leur recherche réside dans la combinaison de ces deux méthodes. Ils se sont également servi des ressources disponibles au laboratoire national d’Argonne (Etats-unis) et au Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron) à Hambourg.
L’eau liquide, un mélange de deux liquides
Ils s’en doutaient depuis un certain temps déjà, et les conclusions de leurs recherches viennent le confirmer. En effet, les résultats montrent que la structure de l’eau liquide serait en fait composée d’un mélange de deux formes liquides. Comme d’autres études l’ont montré, il existe plusieurs types de glace qui se forment selon les conditions de température et de pression. On connaît d’ores et déjà une dizaine de formes cristallines, dont une dite amorphe, c’est-à-dire qu’elle ne possède pas de structure atomique ordonnée à grande échelle. Cette glace est donc aussi désordonnée qu’un liquide.
Les scientifiques ont découvert qu’il existe en fait deux formes de cette glace amorphe. Même si elles sont capables de se transformer l’une dans l’autre, leurs densités ne sont pas les mêmes. La question se posait alors de savoir si l’eau liquide elle-même n’était pas finalement un mélange de deux formes à densités différentes, et qui pouvait conduire à de la glace amorphe à basse température. Les physico-chimistes ont alors étudié la transformation de ces glaces amorphes en liquide avec la diffraction aux rayons X afin de suivre les modifications des structures.
« Les nouveaux résultats soutiennent fortement l’idée que l’eau, à température ambiante, ne peut pas décider dans laquelle des deux formes elle devrait être, à haute ou faible densité, ce qui entraîne des fluctuations locales entre les deux. En un mot : l’eau n’est pas un liquide compliqué, mais deux liquides simples avec une relation compliquée. » affirme Lars G. M. Pettersson, professeur en physico-chimie théorique à l’université de Stockholm et co-auteur du travail publié dans Pnas. Ces nouveaux résultats permettent donc une meilleure compréhension du comportement et de la structure de l’eau. Cette découverte pourrait même amener à de nouvelles techniques pour la purifier dans le futur, un défi majeur compte tenu des changements écologiques en cours.
