L’eau est l’un des éléments les plus importants sur la planète, indispensable à notre survie. Pourtant, cette dernière se révèle être bien plus énigmatique que ce que nous pensions.
Un groupe de chercheurs étudiant les propriétés physiques de l’eau a constaté que lorsqu’elle était chauffée à une température se situant entre 40 et 60 degrés Celsius, celle-ci atteignait alors une « température de croisement » et semblait basculer entre deux états liquides différents.
Nous sommes tellement habitués à l’eau, qu’il est difficile d’imaginer qu’il pourrait y avoir un état supplémentaire aux trois états de base qui nous sont familiers : à savoir, l’état solide, liquide et gazeux (dans des cas très rares, un état plasma pourrait également avoir lieu). À l’exception du mercure, l’eau possède la tension superficielle la plus élevée de tous les liquides. Elle est également l’une des seules substances connues dont l’état solide est capable de flotter au sein de son état liquide. Et, contrairement à presque toutes les autres substances liquides connues, l’eau se dilate quand elle gèle. Elle possède également un point d’ébullition étrange : alors que les points d’ébullition des hydrures comme le tellurure d’hydrogène ou le sulfure d’hydrogène diminuent au fur et à mesure que leur taille de molécule diminue, l’eau possède un point d’ébullition inhabituellement haut, pour un poids moléculaire pourtant si faible.
« Personne ne comprend vraiment l’eau », annonce Philip Ball dans la revue Nature. « C’est embarrassant de l’admettre, mais les deux tiers des choses qui couvrent notre planète restent encore un mystère. Pire encore, plus nous étudions et plus les problèmes s’accumulent : de nouvelles techniques sondant de manière plus profonde l’architecture moléculaire de l’eau liquide crée de nouveaux puzzles à résoudre », explique-t-il. En effet, les physiciens ont pu démontrer qu’entre les températures de 40 à 60 degrés Celcius, l’eau liquide peut littéralement changer d’état, proposant de la sorte un tout nouvel éventail de propriétés en fonction de cet celui-ci.
Afin de parvenir à le démontrer, l’équipe de chercheurs internationale menée par Laura Maestro de l’Université d’Oxford en Angleterre, a étudié des propriétés spécifiques de l’eau. Les chercheurs ont examiné des éléments comme la conductivité thermique, l’indice de réfraction, la conductivité électrique, la tension superficielle et la constante diélectrique (soit comment un champ électrique peut se propager à travers une substance) et comment ces éléments réagissent aux fluctuations de température entre 0 et 100 degrés Celsius.
C’est lorsque l’eau atteint les 40 degrés que les propriétés changent, et ce jusqu’à ce qu’elle atteignent les 60 degrés. Chaque propriété possède une « température de croisement » différente. Les chercheurs suggèrent que c’est parce que l’eau liquide avait changé de phase, comme si elle se trouvait dans un état secondaire. Ils ont donc pu répertorier certaines températures de croisement : environ 64 degrés Celsius pour la conductivité thermique, 50 degrés Celsius pour l’indice de réfraction, environ 53 degrés Celsius pour la conductivité et 57 degrés Celsius pour la tension de surface. « Ces résultats confirment que dans les 0 à 100 degrés Celsius, l’eau liquide possède une température de croisement proche des 50 degrés Celsius pour une grande partie de ses propriétés », concluent-ils.
Alors que se passe-t-il donc ici ? Ce n’est pas encore clair, mais le fait que l’eau puisse commuter entre deux états liquides totalement distincts à certaines températures, pourrait être lié au fait que cette dernière possède en général des propriétés si inhabituelles. Les molécules d’eau ont uniquement des liaisons de très courte durée entre elles, et ces liaisons d’hydrogène sont bien plus faibles que les liaisons qui relient les atomes individuels d’hydrogène et d’oxygène à l’intérieur des molécules.
Pour cette raison, les liaisons d’hydrogène qui relient les molécules d’eau se rompent et se reforment constamment. Pourtant, dans ce chaos apparent, des structures et des règles d’ensemble existent. Les physiciens pensent que c’est ce qui donne à l’eau, ses propriétés inhabituelles. Nous savons que les liaisons d’hydrogène éphémères sont un aspect de la structure moléculaire de l’eau, qui la distingue ainsi de la plupart des autres liquides.
Les résultats de l’équipe devront être reproduits et des études supplémentaires auront également lieu. Mais la découverte de ces différents états de l’eau pourrait avoir de grandes conséquences concernant notre compréhension des systèmes biologiques et nanobiologiques.
« Par exemple, les propriétés optiques des nanoparticules métalliques (or et argent) dispersées dans l’eau, utilisées comme nanosondes, et les propriétés d’émission des points quantiques, utilisés pour la bioimagerie de fluorescence et le ciblage des tumeurs, démontrent un comportement singulier dans cette plage de température », expliquent-ils dans leur étude.
Il reste également à découvrir si ces changements structurels entraînés par les différentes températures de l’eau, affectent les macromolécules biologiques dans les solutions aqueuses, et quels en sont les effets.