Physique

Entre deux eaux

Henri DUPUIS • dupuis.h@belgacom.net

©Mattias Karlén • ©Stockholm University •
©Peter Abbamonte • University of Illinois

L’eau ? H₂O ? Voilà bien un élément qui nous est familier, dont nous pensons tout connaître. Elle a pourtant des propriétés bizarres, se démarquant le plus souvent de celles de tous les autres liquides que nous connaissons. Certains aujourd’hui prétendent qu’elle joue un double jeu ! Elle serait composée de 2 liquides différents…

C’est le petit débat qui a animé ce début d’année, suite à la publication d’un article dans Science fin décembre ⁽¹⁾: il n’y aurait pas une seule eau liquide, mais deux. L’hypothèse – et le débat qui l’accompagne – n’est pas vraiment neuve: Roentgen (celui des rayons X) l’aurait déjà formulée fin du 19e siècle ! De nombreuses expériences ont tenté de la valider, mais sans grand succès jusqu’à présent. Et même les résultats publiés aujourd’hui sont contestés par une partie des chercheurs qui s’acharnent sur ce problème parfois depuis des décennies. Mais pourquoi avoir imaginé qu’il y aurait 2 eaux différentes ? Simplement – mais c’est tout sauf simple – parce que le comportement de ce liquide est tout à fait exceptionnel et que la présence de 2 liquides différents pourraient expliquer certaines de ces propriétés.

Quelques exemples suffisent à montrer le caractère exceptionnel de l’eau (outre, bien sûr, son rôle dans le développement de la vie). La plus surprenante est sans doute que l’eau… ne devrait pas exister sous forme liquide sur notre planète. Si l’eau se comportait «normalement», à pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer, elle devrait bouillir à -80 °C. Donc, elle ne devrait exister que sous forme gazeuse, comme le sont tous les composés de structure semblable à la sienne. Adieu la vie ! Le fait que les changements d’état de l’eau se produisent à des températures bien plus élevées que la «normale» (c’est-à-dire que celles auxquelles elles se produisent pour tous les autres corps semblables) a une conséquence que nous expérimentons tous les jours. Il faut fournir bien plus d’énergie pour passer d’un état à un autre. L’eau est ainsi championne de la chaleur spécifique, la quantité d’énergie nécessaire pour élever d’un degré la température de l’unité de masse d’un corps: il faut 4 fois plus d’énergie pour élever d’un degré une masse d’eau que la même masse d’air ou 10 fois plus que pour du fer par exemple. Une particularité que nous expérimentons tous les jours: réchauffer (et refroidir) de l’eau, cela prend du temps et de l’énergie.

Autre particularité: contrairement à tous les autres corps, la température de fusion de la glace diminue lorsque la pression augmente. Autrement dit, quand vous essayez de comprimer de la glace, elle fond. Sans cela, pas de patinage possible: c’est grâce au film de molécules d’eau qui se forme sur la glace comprimée que le patineur peut glisser à la surface.

Histoire de pression toujours: quand on presse un liquide, il devient plus visqueux, ce qui semble de bon sens: les molécules du liquide se rapprochent les unes des autres. Mais ce n’est pas le cas pour l’eau: lorsqu’on la comprime, elle coule encore mieux, elle devient en quelque sorte encore plus liquide ! Enfin (mais l’eau en compte des dizaines d’autres tout aussi bizarres), autre propriété étonnante: quand on refroidit un liquide, on diminue donc le mouvement de ses molécules, donc elles se rapprochent et la densité du liquide augmente… sauf pour l’eau: la densité diminue et votre glaçon flotte à la surface plutôt que de couler au fond de votre verre.

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Liaisons hydrogènes ou double liquide ?

La bizarrerie d’un tel «comportement» s’explique souvent par l’existence des liaisons hydrogène, les liaisons qui lient les molécules d’eau entre elles au sein du liquide. Certes, l’eau n’est pas seule dans ce cas – bien d’autres molécules polaires sont liées par ce type de liaison – mais l’eau est le seul liquide dont les molécules établissent un aussi grand nombre de telles liaisons. Et c’est cette abondance qui donne à l’eau ses propriétés physiques exceptionnelles (chimiques aussi d’ailleurs, pensons à ses qualités de solvant quasi-universel). Mais cette explication n’est pas suffisante, d’autant (voir Athena n° 307, janvier 2015) qu’on sait depuis longtemps qu’il existe plusieurs types de glaces, c’est-à-dire de formes cristallines d’eau, y compris une forme amorphe, donc qui reste désordonnée comme un liquide ! Ou plutôt 2 formes de glace amorphe avec des densités différentes. Donc, pourquoi n’y aurait-il pas aussi 2 formes d’eau ? Mais pour «voir» ces différentes formes d’eau, il faut travailler à basse température ou hautes pressions… et l’eau est alors de la glace. Des chercheurs suédois sont cependant parvenus à maintenir de l’eau liquide à -45 °C tout en mesurant l’évolution de la compressibilité de l’eau en fonction de la température avec des résultats conformes aux attentes jusqu’à -44 °C. Puis la compressibilité, au lieu d’augmenter, diminue…. Comme si un autre liquide entrait en jeu. Pour les chercheurs suédois, l’eau serait donc bien constituée d’un mélange oscillant sans cesse entre 2 liquides (même si l’on n’y trouve que des molécules H₂O). Et ces 2 liquides peuvent se séparer en 2 phases de densité différente.

Des résultats qui ont été immédiatement contestés par d’autres équipes; la prudence s’impose donc. L’eau est encore loin d’avoir livré tous ses secrets.

Excitonium

Une autre nouvelle de ce début d’année, sans lien avec la nature de l’eau si ce n’est qu’il s’agit aussi d’une forme inattendue, étrange de la matière: on aurait enfin découvert l’excitonium !

Ce terme un peu étrange, qui date des années 1960 déjà, désigne une réalité physique particulière, difficilement observable. Lorsqu’un électron qui se situe en bordure d’une bande de valence est excité (par exemple dans certains semi-conducteurs), il peut rejoindre la bande de conduction. À sa place apparaît un trou (c’est l’appellation officielle !) qui est alors assimilé à une particule de charge positive. Rien de bien neuf. Sauf que parfois (pourquoi, quand, on l’ignore), ce trou s’apparie avec l’électron dont il occupe la place et forme avec lui ce qu’on appelle un exciton, une quasi-particule (mais une véritable particule pour les chercheurs qui viennent de la découvrir !). Ils forment alors, au cœur d’un cristal par exemple, un condensat qu’on nomme excitonium. C’est cette forme particulière de la matière qu’une équipe de chercheurs de l’Université de l’Illinois a annoncé dans Science ⁽²⁾ avoir découverte.

⁽¹⁾ Maxima in the thermodynamic response and correlation functions of deeply supercooled water, Kyung Hwan Kim et al.,Science, 22 Déc 2017: Vol. 358, Issue 6370
⁽²⁾ Signatures of exciton condensation in a transition metal dichalcogenide, Anshul Kogar et al., Science, Déc 2017, vol. 358, Issue 6368