Recouvrant majoritairement la Terre et présente dans chacune de nos cellules, l’eau est un composant ubiquitaire sur notre planète. Pourtant, malgré cette omniprésence, elle est encore loin d’avoir livré tous ses secrets. Avec son atome d’oxygène et ses deux atomes d’hydrogène, l’eau est l’une des molécules au comportement les plus étranges qui soient. C’est notamment le cas lorsqu’elle est refroidie sous son point de congélation dans des conditions particulières. Une étude récente a montré que l’eau « superfroide » entre dans un état de surfusion composé en réalité de deux états différents. Des résultats qui pourraient profiter à des domaines comme la planétologie ou encore la médecine.
La découverte, publiée dans la revue Science, fournit des données expérimentales recherchées depuis longtemps pour expliquer certains des comportements étranges de l’eau à des températures extrêmement froides trouvées dans l’espace extra-atmosphérique et aux confins de l’atmosphère de la Terre. Jusqu’à présent, l’eau liquide aux températures les plus extrêmes possibles a fait l’objet de théories et de conjectures concurrentes.
Certains physiciens se sont demandés s’il était même possible que l’eau existe vraiment sous forme liquide à des températures aussi basses que -83 °C, ou si ce comportement étrange est simplement la réorganisation de l’eau sur son chemin inévitable vers un solide. L’argument est important, car la compréhension de l’eau, qui couvre 71% de la surface de la Terre, est essentielle pour comprendre comment elle régule notre environnement, notre corps et la vie elle-même.
« Nous avons montré que l’eau liquide à des températures extrêmement froides n’est pas seulement relativement stable, elle existe sous deux motifs structurels. Les résultats expliquent une controverse de longue date sur la question de savoir si l’eau en surfusion profonde cristallise toujours avant de pouvoir s’équilibrer. La réponse est: non », explique Greg Kimmel, physicien-chimiste au PNNL.
Les propriétés inhabituelles de l’eau
Il est étonnamment difficile pour l’eau de geler juste en dessous de son point de fusion : l’eau résiste au gel à moins qu’elle n’ait quelque chose pour la faire se solidifier, comme de la poussière ou un autre solide auquel s’accrocher. Dans l’eau pure, il faut un coup de pouce énergétique pour pousser les molécules dans la disposition spéciale nécessaire pour geler.
Et elle se dilate quand elle gèle, ce qui est un comportement étrange par rapport à d’autres liquides. Mais cette bizarrerie est ce qui permet la vie sur Terre. Si des glaçons coulaient ou si la vapeur d’eau dans l’atmosphère ne retenait pas la chaleur, la vie sur Terre telle que nous la connaissons n’existerait pas.
Eau surfondue : elle est en réalité constituée de deux états distincts
Différents modèles ont été proposés pour expliquer les propriétés inhabituelles de l’eau. Les nouvelles données obtenues à l’aide d’une sorte de « cliché » en stop-motion de l’eau surfondue montrent qu’elle peut se condenser en une structure liquide de haute densité. Cette forme de densité plus élevée coexiste avec une structure de densité inférieure, qui est plus conforme à la liaison typique attendue pour l’eau. La proportion de liquide à haute densité diminue rapidement à mesure que la température passe de -28 °C à -83 °C, soutenant les prédictions des modèles de « mélange » pour l’eau surfondue.
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Kringle et Thornley ont utilisé la spectroscopie infrarouge pour observer les molécules d’eau piégées dans une sorte de stop motion lorsqu’un mince film de glace a été frappé avec un laser, créant une eau liquide surfondue pendant quelques nanosecondes. « Une observation clé est que tous les changements structurels étaient réversibles et reproductibles », indique Kringles.
Des planètes à la médecine : des résultats profitables à divers domaines
Cette recherche peut aider à expliquer le graupel (neige roulée), les granulés duveteux qui tombent parfois pendant les tempêtes froides. Le graupel se forme lorsqu’un flocon de neige interagit avec de l’eau liquide surfondue dans la haute atmosphère. « L’eau liquide de la haute atmosphère est profondément refroidie. Quand elle rencontre un flocon de neige, elle gèle rapidement, puis dans les bonnes conditions, tombe sur Terre. C’est vraiment le seul moment où la plupart des gens ressentiront les effets de l’eau surfondue », explique Bruce Kay.
Ces études peuvent également aider à comprendre comment l’eau liquide peut exister sur des planètes très froides — Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune — dans notre système solaire et au-delà. La vapeur d’eau surfondue crée également les queues des comètes. Ici sur Terre, une meilleure compréhension de la dynamique de l’eau comprimée dans des espaces restreints, comme une seule molécule d’eau coincée dans une protéine, pourrait aider les scientifiques à concevoir de nouveaux médicaments.
« Il n’y a pas beaucoup d’espace pour les molécules d’eau qui entourent les protéines individuelles. Cette recherche pourrait faire la lumière sur le comportement de l’eau liquide dans des environnements étroits. Dans les études futures, nous pouvons utiliser cette nouvelle technique pour suivre les réarrangements moléculaires sous-jacents à une large gamme de réactions chimiques », conclut Kringle.
Vidéo montrant le comportement étrange de l’eau superfroide :