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Découverte de l'eau existe de deux liquides
L'eau liquide existe en deux variantes: le liquide haute densité (HDL) et le liquide basse densité (LDL), qui ont maintenant été détectés à très basse température - mais ne peuvent pas être mis en bouteille. Les examens aux rayons X effectués à DESY et au Laboratoire national d'Argonne aux États-Unis le prouvent. Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Stockholm présente actuellement sa découverte dans les Actes de la US Academy of Sciences (PNAS).
L'eau est composée de deux liquides différents (Image: GianlucaCiroTancredi / fotolia.com) Les chercheurs autour d’Anders Nilsson ont enquêté sur la soi-disant glace amorphe. Cette forme de glace d’eau ressemblant à du verre est connue depuis des décennies. C'est rare sur Terre et cela ne se produit pas dans la vie quotidienne, mais la majeure partie de la glace d'eau dans le système solaire existe sous cette forme amorphe. Au lieu d'un cristal solide - tel qu'un glaçon du compartiment congélateur - la glace se présente sous la forme de chaînes moléculaires désordonnées, ce qui correspond davantage à la structure interne d'un verre. Par exemple, la glace amorphe peut être obtenue en refroidissant l’eau liquide si rapidement que les molécules n’ont pas le temps de former une structure cristalline ordonnée..
"La glace amorphe existe en deux variantes, l'une de densité élevée et l'autre de densité inférieure", explique le physicien de DESY, Felix Lehmkühler, de l'équipe de recherche. Les deux variantes sont appelées glace amorphe à haute densité (HDA) et glace amorphe à faible densité (LDA). "La densité de la glace HDA est environ 25% supérieure à celle de la glace LDA", a déclaré Lehmkühler. "Les scientifiques se sont longtemps demandé si ces deux types de crème glacée n'avaient pas de variantes correspondantes dans l'eau liquide. C'est très difficile à mesurer. Même s'il existe deux variantes dans l'eau liquide, elles se mélangent constamment, se transformant l'une en l'autre, et il n'y a aucun moyen de les séparer. "
Lors de la conversion de glace HDA en glace LDA, le volume de glace augmente spontanément d'environ un quart. Cela pouvait déjà être observé avant l'enquête en cours. Photos: Katrin Amann-Winkel / Filippo Cavalca, Université de Stockholm
Les chercheurs ont maintenant surmonté cet obstacle à basses températures. Dans le laboratoire de Stockholm, Katrin Amann-Winkel a préparé des échantillons de glace HDA particulièrement purs. Au laboratoire national Argonne, aux États-Unis, des scientifiques ont observé que la structure interne de cette glace change lorsqu'elle est chauffée entre moins 150 degrés et moins 140 degrés Celsius, ce qui la transforme en une forme de densité inférieure..
À la station de mesure P10 de la source de rayons X PETRA III de DESY, les chercheurs ont pu suivre la dynamique de cette transformation de phase. Il a été montré que la conversion se faisait via un liquide: tout d’abord, la glace HDA est convertie en une forme liquide de haute densité, puis ce "liquide haute densité" (HDL) se transforme en une forme de densité inférieure ("liquide basse densité", LDL). Cela prouve l'existence des deux variantes présumées de l'eau liquide - au moins à très basse température. L'eau extrêmement congelée est si visqueuse que les deux phases liquides ne se transforment que très lentement en une autre et se mélangent et sont ainsi mesurées.
"La nouvelle caractéristique notable que nous avons observée est que l'eau peut exister sous forme de deux liquides différents, à basses températures et où la cristallisation de la glace est lente", explique le directeur de la recherche, Nilsson, professeur de physique chimique à l'université de Stockholm. "Il est très intéressant de pouvoir déterminer avec les rayons X la position relative des molécules à différents moments", ajoute Fivos Perakis de l'Université de Stockholm, en collaboration avec l'auteur principal de l'étude, Amann-Winkel. "En particulier, nous avons pu suivre la transformation de l'échantillon entre les deux phases à basse température et montrer que la diffusion commence comme c'est le cas pour les liquides."
Au quotidien, la découverte des deux variantes d’eau liquide ne change rien. Pour la science, cependant, il s'agit d'une étape importante dans la compréhension de ce fluide extraordinaire. "Aussi simple que l'eau paraisse, elle se comporte étrangement par rapport à d'autres liquides", explique Lehmkühler du groupe de recherche "Diffusion cohérente des rayons X" du professeur DESY, rédigé par le professeur Gerhard Grübel, co-auteur de l'étude et également chercheur principal à DESY..
"L'eau présente de nombreuses anomalies - la densité, la capacité calorifique et la conductivité thermique ne sont que trois des nombreuses propriétés différentes qui diffèrent avec l'eau de la plupart des autres liquides", explique Lehmkühler. "Nombre de ces qualités sont à la base de l'existence de la vie, car sans eau et ses qualités spéciales, la vie, telle que nous la connaissons, n'est pas possible." L'étude de l'eau est donc non seulement d'une grande importance, mais aussi un domaine dans lequel DESY renforce son engagement. De nouvelles sources de rayons X, telles que le XFEL européen XFEL récemment lancé, dont le principal actionnaire est DESY, ou l’extension de la source synchrotron PETRA III de DESY de nouvelle génération, PETRA IV, permettront aux chercheurs d’avancer encore plus loin sur le terrain non cartographié du diagramme de phase aqueuse..
Les scientifiques espèrent, lors de leurs futures recherches, répondre notamment à la question de savoir si les deux types d’eau liquide existent également à la température ambiante. Il n'y a pas de raison fondamentale pour dire qu'ils ne devraient exister qu'à basses températures. "Les nouveaux résultats corroborent fortement l'image dans laquelle l'eau à la température ambiante ne peut pas décider laquelle des deux formes prendre, densité élevée ou faible, ce qui entraîne des fluctuations locales entre les deux", a déclaré le co-auteur Lars Pettersson, professeur à Physique chimique théorique à l'Université de Stockholm. "En un mot, l'eau n'est pas un liquide compliqué, mais deux liquides simples dans une relation compliquée."
L'Université d'Innsbruck, l'Institut royal de technologie (KTH) de Stockholm et le Centre de recherche américain SLAC ont également participé à la conférence. (Sb, h)
Travail original:
"Dynamique de diffusion lors de la transition de densité haute à basse dans la glace amorphe"; Fivos Perakis, Katrin Amann-Winkel, Felix Lehmkühler, Michael Sprung, Daniel Mariedahl, Jonas A. Sellberg, Harshad Pathak, Alexander Späh, Filippo Cavalca, Daniel Schlesinger, Alessandro Ricci, Avni Jain, Bernhard Massani, Bernhard Massani, Chris J. Benmore Thomas Loerting, Gerhard Grübel, Lars GM Pettersson et Anders Nilsson; Actes de l'Académie nationale des sciences, 2017; DOI: 10.1073 / pnas.1705303114