L'une des choses les plus élémentaires qui nous sont enseignées dans les cours de sciences à l'école est que l'eau peut exister dans trois états différents: glace solide, eau liquide ou gaz gazeux. Mais une équipe internationale de scientifiques a récemment découvert des signes indiquant que de l’eau liquide pourrait effectivement venir de deux États différents.
Écrivant dans un article expérimental, publié dans l' International Journal of Nanotechnology, les chercheurs ont été surpris de constater qu'un certain nombre de propriétés physiques de l'eau modifient leur comportement entre 50 et 60. Ce signe d’un éventuel passage à un deuxième état liquide pourrait susciter une discussion animée au sein de la communauté scientifique. Et, si elle est confirmée, elle pourrait avoir des implications pour plusieurs domaines, notamment les nanotechnologies et la biologie.
Les états de la matière, également appelés «phases», constituent un concept clé dans l'étude des systèmes à base d'atomes et de molécules. Grosso modo, un système formé de nombreuses molécules peut être agencé selon un certain nombre de configurations en fonction de son énergie totale. À des températures plus élevées (et donc des énergies plus élevées), les molécules ont plus de configurations possibles, elles sont donc plus désorganisées et peuvent se déplacer relativement librement (en phase gazeuse). À des températures plus basses, les molécules ont un nombre de configurations plus limité et forment ainsi une phase plus ordonnée (un liquide). Si la température baisse encore, ils se rangent dans une configuration très spécifique, produisant un solide.
Cette image est commune à des molécules relativement simples telles que le dioxyde de carbone ou le méthane, qui ont trois états clairs et différents (liquide, solide et gazeux). Mais pour des molécules plus complexes, il existe un plus grand nombre de configurations possibles, ce qui donne lieu à davantage de phases. Le comportement riche des cristaux liquides, formés de molécules organiques complexes et capables de couler comme des liquides, présente néanmoins une belle illustration, tout en conservant une structure cristalline solide.
Étant donné que la phase d'une substance est déterminée par la configuration de ses molécules, de nombreuses propriétés physiques de cette substance changeront brusquement si elles passent d'un état à un autre. Dans un article récent, les chercheurs ont mesuré plusieurs propriétés physiques révélatrices de l’eau à des températures comprises entre 0 et 100 ° C dans des conditions atmosphériques normales (c’est-à-dire qu’il s’agissait d’un liquide). De manière surprenante, ils ont trouvé un déséquilibre dans des propriétés telles que la tension superficielle de l'eau et son indice de réfraction (une mesure de la façon dont la lumière la traverse) à environ 50 ° C.
Comment se peut-il? La structure d'une molécule d'eau, H2O, est très intéressante et peut être représentée comme une sorte de pointe de flèche, avec les deux atomes d'hydrogène encadrant l'atome d'oxygène au sommet. Les électrons dans la molécule ont tendance à être répartis de manière plutôt asymétrique, ce qui donne une charge négative à l'oxygène par rapport à l'hydrogène. Cette caractéristique structurelle simple conduit à une sorte d'interaction entre les molécules d'eau appelée liaison hydrogène, dans laquelle les charges opposées s'attirent.
Cela donne des propriétés d’eau qui, dans de nombreux cas, brisent les tendances observées pour d’autres liquides simples. Par exemple, contrairement à la plupart des autres substances, une masse fixe d'eau prend plus de place sous forme de solide (glace) que sous forme (de liquide) en raison de la manière dont ses molécules forment une structure régulière spécifique. Un autre exemple est la tension superficielle de l’eau liquide, qui est environ deux fois supérieure à celle d’autres liquides non polaires, plus simples.
L'eau est assez simple, mais pas trop simple. Cela signifie qu’une possibilité pour expliquer la phase supplémentaire apparente de l’eau est qu’elle se comporte un peu comme un cristal liquide. Les liaisons hydrogène entre les molécules gardent un certain ordre à basse température, mais pourraient éventuellement prendre une deuxième phase liquide moins ordonnée à des températures plus élevées. Cela pourrait expliquer les failles observées par les chercheurs dans leurs données.
Si elles sont confirmées, les conclusions des auteurs pourraient avoir de nombreuses applications. Par exemple, si des modifications de l'environnement (telles que la température) entraînent des modifications des propriétés physiques d'une substance, cette option peut être utilisée pour les applications de détection. Peut-être plus fondamentalement, les systèmes biologiques sont principalement constitués d’eau. La manière dont les molécules biologiques (telles que les protéines) interagissent les unes avec les autres dépend probablement de la manière spécifique dont les molécules d’eau s’organisent pour former une phase liquide. Comprendre comment les molécules d’eau s’organisent en moyenne à des températures différentes pourrait éclairer le fonctionnement de leurs interactions dans les systèmes biologiques.
Cette découverte est une opportunité excitante pour les théoriciens et les expérimentateurs, et un bel exemple de la façon dont même la substance la plus familière cache encore des secrets.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation. Lire l'article original.
