À l’état liquide, les molécules d’eau possèdent en réalité deux structures différentes

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Des océans aux cellules en passant par l’atmosphère, l’eau est omniprésente sur Terre. À l’état liquide, c’est un solvant nécessaire à la vie. Ce qui en fait l’une des molécules les plus étudiées par les chimistes. Pourtant, il reste encore bien des choses à découvrir à son sujet. En l’étudiant grâce aux rayons X, une équipe de chercheurs a récemment découvert que les molécules d’eau adoptent deux structures différentes à l’état liquide. Un résultat qui pourrait avoir d’importantes implications en termes de biochimie et d’industrie.

Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont utilisé des méthodes de calcul et l’analyse de données expérimentales récentes pour démontrer que les molécules d’eau possèdent deux structures distinctes à l’état liquide.

L’équipe a étudié la diffusion des rayons X à travers des échantillons d’eau et a montré une distribution bimodale cachée sous le premier pic de diffraction résultant des arrangements tétraédriques et non tétraédriques des molécules d’eau.

Ce travail peut avoir des implications importantes dans de nombreux domaines scientifiques et technologiques, mais surtout en ce qui concerne les systèmes vivants, comme les protéines et les structures cellulaires, qui sont fortement affectés par les molécules d’eau environnantes. Compte tenu de l’omniprésence de l’eau sur notre planète et du rôle central qu’elle joue dans toute la vie connue, il peut être difficile de croire qu’il reste quelque chose à apprendre sur cette molécule.

Un liquide inhabituel à cause de sa structure et ses arrangements moléculaires

Molécule simple composée de seulement deux atomes d’hydrogène et un d’oxygène, l’eau cache encore des mystères fondamentaux qui restent à élucider. Par exemple, l’eau a des points de fusion et d’ébullition inhabituellement élevés et se dilate même lorsqu’elle gèle (contrairement à la plupart des liquides qui se contractent). Ces propriétés inhabituelles et d’autres le rendent très différent de presque tous les autres liquides, mais permettent également à la vie telle que nous la connaissons d’exister.

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L’eau présente un arrangement moléculaire tétraédrique où une molécule d’H2O est reliée à 4 autres molécules via des liaisons hydrogène. Crédits : Qwerter/Wikimedia Commons

L’étrangeté de l’eau peut être mieux comprise en pensant aux interactions uniques entre les molécules de H2O — la liaison hydrogène. L’eau a tendance à former quatre liaisons hydrogène avec ses quatre voisins, ce qui conduit à des arrangements tétraédriques. De tels agencements peuvent être largement déformés sous les fluctuations thermiques. Cependant, la question de savoir si la distorsion conduit à la coexistence d’arrangements tétraédriques et non tétraédriques distincts est restée controversée.

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Eau liquide : les rayons X révèlent qu’elle possède en réalité deux structures

Les chimistes de l’Université de Tokyo ont combiné des simulations informatiques et l’analyse de données expérimentales de diffusion pour trouver le facteur de structure de l’eau — soit la fonction mathématique qui représente les trajectoires des rayons X dispersés par les atomes d’hydrogène et d’oxygène. L’analyse a montré deux pics se chevauchant et se cachant dans le premier pic de diffraction du facteur de structure.

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L’analyse de la diffraction des rayons X par les atomes d’oxygène et d’hydrogène a montré un double pic indiquant l’existence de deux structures moléculaires distinctes. Crédits : Rui Shi et Hajime Tanaka

L’un de ces pics correspond à la distance entre les atomes d’oxygène, comme dans les liquides ordinaires, tandis que l’autre indique une distance plus longue, comme dans un arrangement tétraédrique. Cette découverte peut avoir d’énormes implications dans de nombreux domaines scientifiques. Connaître l’ordre structurel exact de l’eau est essentiel pour une compréhension complète de la biologie moléculaire, de la chimie et même de nombreuses applications industrielles.

Sources : JACS

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