Pendant des décennies, les scientifiques ont soupçonné une propriété cachée dans l’eau – un deuxième point critique à des températures extrêmement basses et à une pression immense. Des expériences récentes ont confirmé ce phénomène prévu depuis longtemps, mettant en lumière pourquoi l’eau se comporte si différemment des autres liquides. Cette découverte, détaillée dans le numéro du 26 mars de Science, n’est pas seulement une curiosité académique ; cela explique plusieurs des bizarreries de l’eau qui sous-tendent son rôle vital dans la biologie, le climat et d’innombrables processus industriels.
Le deuxième point critique : une transition de phase révélée
L’eau présente déjà un point critique bien connu à haute température (environ 374°C et 218 fois la pression atmosphérique), où la distinction entre liquide et gaz disparaît, créant un fluide supercritique. Cette nouvelle découverte identifie un deuxième point critique à environ -63°C (210 kelvins) et une pression 1 000 fois supérieure à celle du niveau de la mer. À ce stade, deux phases distinctes d’eau surfondue – les formes à haute densité et à faible densité – fusionnent en une seule, effaçant leurs différences.
Les expériences étaient difficiles ; l’eau surfondue a tendance à geler presque instantanément dans ces conditions. Les chercheurs dirigés par Anders Nilsson de l’Université de Stockholm ont contourné ce problème en faisant fondre rapidement de la glace amorphe (une structure moléculaire confuse) avec des lasers infrarouges, puis en sondant le liquide résultant avec des lasers à rayons X en quelques nanosecondes. Les instantanés pris ont révélé une transition claire de deux phases distinctes en dessous du point critique, mais aucune transition de ce type au point critique, confirmant son existence.
Pourquoi l’eau est bizarre : anomalies de densité et de capacité thermique
L’eau se démarque parmi les liquides car elle ne suit pas les règles habituelles. La plupart des liquides deviennent plus denses en refroidissant, mais l’eau atteint sa densité maximale à 4°C avant de changer de cap – l’eau plus froide devient moins dense. De même, sa capacité thermique (la quantité d’énergie nécessaire pour le chauffer) change à une certaine température. Ces anomalies intriguent les scientifiques depuis des années.
Le nouveau point critique fournit une explication potentielle. Ces comportements de « bascule » suggèrent la présence de transitions de phase sous-jacentes, désormais confirmées par les expériences. L’existence de deux phases liquides distinctes à basse température, fusionnant au point critique, est probablement à l’origine de ces propriétés inhabituelles.
Un soulagement pour les théoriciens : la validation expérimentale
Pour des physiciens comme Nicolas Giovambattista du Brooklyn College, qui ont passé des années à simuler le comportement de l’eau, voir la preuve expérimentale est une étape importante. « C’est une sorte de paix intérieure », dit-il. Même si les résultats sont convaincants, certaines questions demeurent : les chercheurs supposent que le liquide atteint l’équilibre assez rapidement pour permettre des mesures précises. Compte tenu de la rapidité de l’expérience, cette hypothèse nécessite une validation plus approfondie.
La confirmation du deuxième point critique de l’eau constitue une avancée significative dans la compréhension de cette substance essentielle. Cela résout non seulement un débat scientifique de longue date, mais approfondit également notre compréhension de la physique complexe qui régit le comportement de l’eau, avec des implications considérables dans des domaines allant de la science des matériaux à la modélisation climatique.
