physique

L’eau dans tous ses états

Des scientifiques ont étudié une étonnante forme de l’eau, restée liquide malgré une pression et une température très basses

L’eau dans tous ses états

Physique Malgré sa simplicité apparente, la molécule H2O conserve ses mystères

Des chercheurs ont obtenu une eau qui reste liquide à des températures et pressions négatives

Jamais personne n’avait trempé son orteil dans une telle eau. Il faut dire qu’elle n’a rien de très engageant: – 15°C et une pression négative de 1200 bars… Autrement dit, elle devrait geler ou bien s’évaporer instantanément. Pourtant, c’est bien elle dont, pour la première fois, une équipe de l’Institut Lumière Matière (CNRS, Université de Lyon) et de l’université Complutense à Madrid a étudié le comportement, comme les chercheurs l’expliquent dans les Comptes rendus de l’Académie américaine des sciences (PNAS) du 19 mai.

Au-delà de l’exploit, c’est l’espoir d’en apprendre un peu plus sur la physique des nuages ou sur les propriétés de repliement des protéines biologiques, qui sont des systèmes dans lesquels l’eau se trouve dans des situations instables semblables.

Mais c’est aussi un pas important pour comprendre ce liquide simple et pourtant si mystérieux qu’est H2O. «C’est énervant de se dire qu’en 2014, on ne comprend toujours pas la structure de l’eau!» insiste Sébastien Balibar, du La­boratoire de physique statistique de l’Ecole normale supérieure de Paris, qui n’a pas pris part à ces travaux.

«L’eau n’est pas un liquide comme les autres», confirme José Teixeira, chercheur émérite au Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA). Chacun peut s’en convaincre: les glaçons flottent, alors que, tant que solides, ils devraient être plus denses que la phase liquide et donc couler. En outre, juste au-dessus de zéro, au lieu de se dilater en chauffant, l’eau se contracte puis, à partir de 4°C, se détend. En fait, des dizaines d’anomalies ont été répertoriées pour ce composé.

L’un de ces mystères concerne une zone de température, baptisée «no man’s land». Elle se situe entre – 20°C et – 40°C, à pression normale. Tout le monde jurerait que l’eau y est forcément solide et glacée. Sauf que l’exemple du glaçon incite à la prudence.

Ainsi, plusieurs expériences ont montré que l’eau refroidie pouvait rester liquide jusqu’à – 40°C. Inversement, aux tempé­ratures plus basses que – 120°C, l’eau n’est pas forcément en forme de glace mais peut être un verre amorphe: elle ne coule pas comme un solide mais, au niveau microscopique, ses molécules s’agitent, comme dans un liquide.

Or, si l’on tente de faire fondre ce verre, il se transforme en glace et non en liquide. Ajoutons, pour compliquer, qu’il n’y a pas un verre mais deux types de verre de densités différentes, l’un plus lourd et l’autre plus léger que l’eau liquide.

Bref, par les deux bouts, le «no man’s land» semble inacces­sible à cause de la cristallisation. Mais comment apparaît-elle? Y aurait-il dans cette région mystérieuse deux liquides, comme il y a deux verres?

C’est à ces questions que l’équipe de Frédéric Caupin veut répondre, en attaquant le «no man’s land» par une voie détournée, jamais encore empruntée. «Depuis quelques années, les expérimentateurs avaient un peu abandonné le terrain au profit des spécialistes des simulations numériques. Le mérite de Frédéric est de relancer le volet expérimental du sujet», observe José Teixeira.

Pour ce faire, les chercheurs ont étudié des inclusions liquides de cinq micromètres de large dans deux cristaux de quartz. L’un est artificiel; l’autre est naturel, en provenance du Mont-Blanc et rempli d’eau d’origine météorique. Avec précaution, les chercheurs abaissent la température dans ces cavités fermées. A volume constant, la pression diminue et le liquide est comme «étiré». Il ­menace même de «casser» en devenant vapeur. Si l’accident est évité, le refroidissement se poursuit jusqu’à obtenir une eau liquide à des températures et pressions négatives.

Précisons que de telles pressions négatives ne sont pas si étonnantes: elles existent par exemple dans la sève des arbres, qui monte sous l’effet d’une traction par le sommet dont le moteur est l’évaporation par les feuilles. La dépression est alors de 1 bar par 10 mètres de hauteur d’arbre.

Au final, les chercheurs obtiennent une eau doublement fragile car tentée soit de cristalliser en glace, soit de fuir en vapeur. Reste alors à en étudier les propriétés. Grâce à un laser traversant les échantillons, les chercheurs calculent la vitesse du son dans l’eau. Et, par là, en déduisent la compressibilité. Plus un objet est compressible, moins le son se propage rapidement.

Surprise, la compressibilité passe par un maximum, alors que certains modèles prévoient qu’elle doit augmenter sans cesse avec l’abaissement de la température. C’est déjà un progrès. En outre, à partir de ces informations, des ­simulations numériques permettent d’extrapoler des propriétés dans le fameux «No man’s land». Elles confirment la présence d’un maximum de compressibilité. Par contre, elles laissent deux familles de modèles en course. L’une prévoit un effet troublant: la possibilité de passer d’une forme de liquide à une autre.

«Ce n’est donc pas la fin de l’histoire, mais nous avons maintenant l’espoir d’en savoir plus sur cette région», conclut Frédéric Caupin. Il va d’ailleurs faire de nouvelles expériences en ajoutant un peu de sel dans l’eau, de manière à perturber le système. Il va aussi étudier ce qui est la cause de bien des anomalies de l’eau: les liaisons hydrogènes. Ces liaisons chimiques relient faiblement les molécules d’eau entre elles mais elles se cassent très rapidement. Certains, dont José Teixeira, pensent même qu’elles pourraient être aussi la clé de la brutale cristallisation de l’eau à basse température. Les histoires d’eau ne sont pas terminées.

Les glaçons flottent, alors que, en tant que solides, ils devraient être plus denses que la phase liquide et couler

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