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En 1992, une équipe de chercheurs italiens explorent les propriétés inhabituelles de l’eau liquide à l’aide de modélisations informatiques. Les résultats suggéraient, à l’époque, qu’il existait un point critique entre deux formes liquides différentes de l’eau. Récemment, et après plus d’un an de calculs, une équipe internationale de physiciens a conforté ces résultats en montrant, de nouveau à l’aide de simulations, que l’eau liquide existe bien en deux formes distinctes séparées par un point critique. Et c’est cette phase liquide-liquide qui conférerait à l’eau liquide ses propriétés si surprenantes.

Une nouvelle étude fournit des preuves solides dans le sens d’une théorie controversée selon laquelle, à des températures très froides, l’eau peut exister sous deux formes liquides distinctes, l’une étant moins dense et plus structurée que l’autre. Des chercheurs de l’Université de Princeton et de l’Université Sapienza de Rome ont effectué des simulations informatiques de molécules d’eau pour découvrir le point critique auquel une phase liquide se transforme en une autre. L’étude a été publiée dans la revue Science.

« La présence du point critique fournit une explication très simple aux comportements étranges de l’eau », déclare Pablo Debenedetti. Les bizarreries de l’eau incluent qu’au fur et à mesure qu’elle refroidit, elle se dilate plutôt que se contracter, c’est pourquoi l’eau gelée est moins dense que l’eau liquide. L’eau devient également plus compressible à des températures plus basses. Il existe également au moins 17 façons dont ses molécules peuvent s’organiser lorsqu’elles sont congelées.

Les deux formes liquides de l’eau : une hypothèse de longue date

Un point critique est une valeur unique de température et de pression à laquelle deux phases de la matière deviennent indiscernables, et elle se produit juste avant la transformation de la matière d’une phase à l’autre. Les bizarreries de l’eau s’expliquent facilement par la présence d’un point critique. La présence d’un point critique se fait sentir sur les propriétés de la substance assez loin du point critique lui-même. Au point critique, la compressibilité et d’autres mesures thermodynamiques du comportement des molécules, telles que la capacité thermique, sont infinies.

En utilisant deux méthodes de calcul différentes et deux modèles informatiques d’eau très réalistes, l’équipe a identifié le point critique liquide-liquide comme se situant dans une plage d’environ -117 °C à -153 °C à environ 2000 fois la pression atmosphérique au niveau de la mer. La détection du point critique est une étape importante pour les chercheurs impliqués dans cette quête vieille de plusieurs décennies pour déterminer l’explication physique sous-jacente des propriétés inhabituelles de l’eau.

Il y a plusieurs décennies, les physiciens ont émis l’hypothèse que le refroidissement de l’eau à des températures inférieures à son point de congélation tout en la maintenant sous forme liquide — un état « surfondu » qui se produit dans les nuages ​​à haute altitude — exposerait les deux formes liquides uniques de l’eau à des pressions suffisamment élevées. Pour tester la théorie, les chercheurs se sont tournés vers les simulations informatiques. Les expériences avec des molécules d’eau réelles n’ont jusqu’à présent pas fourni de preuves non équivoques d’un point critique, en partie en raison de la tendance de l’eau surfondue à geler rapidement.

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De puissantes simulations pour identifier le point critique de l’eau liquide

Francesco Sciortino, professeur de physique à l’Université Sapienza de Rome, a mené l’une des premières études de modélisation de ce type alors qu’il était chercheur postdoctoral en 1992. Cette étude, publiée dans la revue Nature, a été la première à suggérer l’existence d’un point critique entre les deux formes liquides. La nouvelle découverte est extrêmement satisfaisante pour Sciortino. L’étude a utilisé des ordinateurs de recherche beaucoup plus rapides et plus puissants d’aujourd’hui et des modèles d’eau plus récents et plus précis.

phase eau

A) À l’aide de deux simulations informatiques distinctes de l’eau (panneaux du haut et du bas), les chercheurs ont détecté des fluctuations de densité caractéristiques de l’eau surfondue oscillant entre deux phases liquides qui diffèrent par la densité. B) : Les simulations ont révélé un point critique entre les deux phases liquides, dont les différentes densités proviennent microscopiquement de l’intrusion d’une molécule d’eau supplémentaire dans l’environnement local d’une molécule centrale générique dans le liquide haute densité. Crédits : PG Debenedetti et al. 2020

Sur le même sujet : À l’état liquide, les molécules d’eau possèdent en réalité deux structures différentes

Même avec ces puissantes machines, les simulations ont pris environ 1.5 an de temps de calcul. Dans le cas des deux formes liquides de l’eau, les deux phases coexistent en équilibre complexe à des températures inférieures à zéro et à des pressions suffisamment élevées. Au fur et à mesure que la température baisse, les deux phases liquides s’engagent dans un bras de fer jusqu’à ce que l’une l’emporte et que tout le liquide devienne de faible densité.

Dans les simulations effectuées par Gül Zerze à Princeton et Sciortino à Rome, alors qu’ils abaissaient la température bien en dessous de zéro dans la plage de surfusion, la densité de l’eau a fluctué énormément comme prévu. Certains des comportements étranges de l’eau sont probablement à l’origine des propriétés vitales de l’eau. « Nous pensons que la raison est liée au comportement anormal de l’eau. D’autres liquides ne montrent pas ces comportements, donc ceci doit être lié à l’eau comme liquide de la vie », explique Zerze.

Le rôle déterminant de la configuration moléculaire de l’eau

Les deux phases de l’eau se produisent parce que la forme de la molécule d’eau peut conduire à deux façons de s’imbriquer. Dans le liquide de densité inférieure, quatre molécules se regroupent autour d’une cinquième molécule centrale dans une forme géométrique appelée tétraèdre. Dans le liquide de densité plus élevée, une sixième molécule s’introduit, ce qui a pour effet d’augmenter la densité locale.

L’équipe a détecté le point critique dans deux modèles informatiques différents de l’eau. Pour chaque modèle, les chercheurs ont soumis les molécules d’eau à deux approches de calcul différentes pour rechercher le point critique. Les deux approches ont abouti à la constatation d’un point critique.

Sources : Science

point critique eau

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