L'eau aurait révélé son dernier secret… et il permettrait d'expliquer pourquoi la glace flotte

L'eau peut exister sous deux formes liquides différentes selon la température et la pression. Cette propriété longtemps soupçonnée vient d'être confirmée expérimentalement, et elle pourrait expliquer pourquoi la glace flotte. L'eau est la substance la plus répandue sur Terre, mais aussi l'une des plus énigmatiques. Contrairement à la plupart des liquides, elle se dilate en refroidissant, ce qui permet à la glace de flotter. Cette anomalie, essentielle à la vie aquatique, trouverait son origine dans un point critique de l'eau surfondue identifié pour la première fois en laboratoire. Depuis plus d'un siècle, les physiciens soupçonnent l'eau de posséder un comportement caché. Pourtant, aucune expérience n'avait réussi à le confirmer directement. Une équipe de l'université de Stockholm vient de franchir ce cap en utilisant des impulsions laser à rayons X ultracourtes. Ces flashs, d'une durée de quelques femtosecondes, permettent d'observer l'eau juste avant qu'elle ne cristallise en glace. Les résultats publiés dans Science apportent un éclairage inattendu. L’eau surfondue, refroidie bien en dessous de 0 °C sans geler, peut en réalité adopter deux états liquides distincts. Dans un premier cas, les molécules restent très rapprochées, ce qui donne une forme plus dense. Dans l’autre, le réseau s’ouvre davantage. La structure devient alors plus légère et se rapproche de celle de la glace. Ces deux phases coexistent à basse température et sous haute pression. Toutefois, à un point précis, situé vers -63 °C et 1000 atmosphères, elles fusionnent et deviennent indiscernables. C'est ce que les physiciens appellent un point critique. Ce point critique ne concerne pas seulement l'eau glacée en laboratoire. Selon le professeur Anders Nilsson, qui a dirigé les travaux à l'université de Stockholm, les fluctuations moléculaires générées à cette température se propagent jusqu'aux conditions ambiantes. Autrement dit, l'eau du robinet subit encore l'influence de ce phénomène lointain. Concrètement, ces fluctuations expliquent pourquoi l'eau atteint sa densité maximale à 4 °C, puis se dilate en continuant à refroidir. C'est cette expansion qui rend la glace moins dense que l'eau liquide, et donc capable de flotter. En conséquence, les lacs gèlent par la surface plutôt que par le fond, préservant la vie aquatique en hiver. Comme le rapporte Phys.org, cette découverte affecte aussi d'autres propriétés fondamentales de l'eau, notamment sa capacité thermique, sa viscosité et sa compressibilité. De plus, ces anomalies jouent un rôle clé dans d'innombrables processus biologiques et climatiques. Pour observer ce phénomène, l'équipe a utilisé le laser à électrons libres PAL-XFEL, situé en Corée du Sud. Cet instrument produit des impulsions de rayons X extrêmement brèves, capables de sonder la structure de l'eau en quelques femtosecondes, soit un millionième de milliardième de seconde. La principale difficulté résidait dans la vitesse. À -63 °C, l'eau gèle presque instantanément. Or, les chercheurs devaient l'analyser alors qu'elle était encore liquide. Grâce à la rapidité du laser, ils ont pu photographier la transition entre les deux phases liquides juste avant la cristallisation. Comme le rapporte ScienceDaily, cette prouesse technique met fin à un débat vieux de plusieurs décennies. Désormais, les modèles théoriques sur l'eau disposent d'une base expérimentale solide. En parallèle, cette avancée ouvre de nouvelles pistes pour comprendre le rôle de l'eau dans les systèmes vivants, de la biologie cellulaire à la chimie atmosphérique. Recevez toute l’actualité des sciences trois fois par semaine Abonnez-vous AU magazine papier ou numérique