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Les étonnants secrets de l’eau

  • Publié le : 27/05/2018
  • Mots-clés :  sciencechimie.
  • Source : lesechos.fr

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La molécule la plus simple et banale de l’univers n’en finit pas de surprendre les scientifiques. Ils ont découvert que l’eau serait constituée de deux fluides qui peuvent se séparer dans certaines conditions.

La molécule la plus importante de l’univers nous réserve bien des surprises. L’eau serait en fait constituée de non pas un, mais deux liquides ! C’est l’hypothèse étonnante vers laquelle convergent plusieurs équipes après avoir fait subir les pires tortures à ce petit édifice constitué de deux atomes d’hydrogène et d’un atome d’oxygène, en le soumettant à des températures et à des pressions phénoménales.

Pour parvenir à cette conclusion  publiée dans « Science » , les chercheurs ont étudié le comportement et la structure de l’eau en surfusion. Cet état particulier est obtenu en portant de l’eau ultra-pure à des températures négatives. Sans impuretés ni minéraux, et à condition qu’elle ne bouge pas, elle reste liquide. Les scientifiques ont travaillé à – 44 °C et confirmé l’existence, dans l’eau, de deux liquides différents, correspondant à deux états moléculaires distincts : un de haute densité, où les molécules s’entassent les unes sur les autres, et un autre plus ordonné. « Avec leur densité différente, ces deux liquides ne se mélangent pas. Ils cohabitent pour former l’eau, comme l’huile et le vinaigre dans une vinaigrette », explique Anders Nilsson, professeur de physico-chimie à l’université de Stockholm et coauteur des travaux.

On sait décrire un liquide ordinaire : il est constitué de molécules assez grosses qui n’interagissent que par des liaisons de faible énergie. A température suffisamment basse, ces interactions figent les molécules les unes par rapport aux autres et transforment le corps en solide. A l’inverse, si on élève la température, les molécules deviennent plus mobiles, tournent les unes autour des autres et limitent leurs interactions, ce qui leur permet de glisser.

Rien de tel avec les molécules d’eau, découvertes en 1908 par le chimiste et prix Nobel Linus Pauling. Les scientifiques expliquent la fluidité extrême de ce liquide par les liaisons hydrogène. Grâce à cette liaison chimique, la molécule établit des ponts avec ses voisines, mais cette relation ne dure pas : en une picoseconde, soit 1 millième de milliardième de seconde, la liaison se rompt et une autre se reforme. Tout en étant très mobiles, les molécules d’eau restent ainsi reliées ensemble.

Propriétés paradoxales

Ces liaisons hydrogène donnent à l’eau des propriétés incroyablement paradoxales. Elle s’écoule, par exemple, plus vite sous pression car, les liaisons étant alors affaiblies, les molécules se déplacent plus facilement les unes par rapport aux autres. La forme solide de l’eau est aussi, étonnamment, plus légère que la forme liquide car, à l’état cristallin, les molécules se répartissent dans un réseau moins dense. Encore plus étrange : l’eau chaude gèle plus rapidement que l’eau froide, sans doute parce qu’elle contient moins de ces liaisons hydrogènes qui font sa fluidité, et que, pour refroidir, elle a donc moins besoin d’énergie.

Les scientifiques s’interrogent également sur une autre invraisemblance : les liaisons hydrogène sont très énergétiques et, théoriquement, il faudrait beaucoup plus de chaleur pour faire fondre un bloc de glace que ce qui est effectivement nécessaire. Pour expliquer ce paradoxe, certains scientifiques avancent, sans pouvoir encore le prouver, que les liaisons hydrogène, rectilignes à l’état solide, se tordent à l’état liquide pour prendre moins de place. Or, sous cette forme tordue, elles consommeraient moins d’énergie.

Les travaux de l’université de Stockholm ouvrent de nouvelles hypothèses. « Si ce résultat est validé, cela ferait de l’eau l’un des seuls liquides purs connus à être composé de deux phases distinctes et cela poserait d’autres questions bien plus larges : est-ce un hasard ou non que ce liquide soit celui qui est à l’origine de la vie ? » demande le chimiste suédois.

Un liquide pas comme les autres

L’eau ne se définit pas seulement par les différentes formes, liquide, solide ou gazeuse, sous lesquelles elle existe. Elle se caractérise aussi par plus de 70 propriétés (densité, capacité calorifique, point de fusion…) qui, prises ensemble, diffèrent de celles de la plupart des liquides. C’est sans doute grâce à cet ensemble de particularités qu’elle a pu former le bouillon primordial de l’océan primitif qui a accueilli les premières briques élémentaires de la vie sur terre : acides aminés (la base des protéines), ADN, ARN…

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