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"Une expérience avec animation en volume (stop-motion) révèle la double nature de l’eau surfondue - une eau liquide à des températures bien en dessous de zéro degré Celsius - avec deux arrangements différents des molécules" par Emily Conover

Traduction et compléments de Jacques Hallard
dimanche 25 octobre 2020 par Conover Emily



ISIAS Physique Eau

Une expérience avec animation en volume (stop-motion) révèle la double nature de l’eau surfondue - une eau liquide à des températures bien en dessous de zéro degré Celsius - avec deux arrangements différents des molécules

Ajout d’informations sur la surfusion et les molécules d’eau

L’article d’origine d’Emily Conover a été publié le 28 septembre 2020 par Science News sous le titre « A stop-motion experiment reveals supercooled water’s dual nature  » et il est disponible sur ce site : https://www.sciencenews.org/article/stop-motion-experiment-reveals-supercooled-water-dual-nature

water molecule illustration

L’eau liquide refroidie à des températures très basses a des arrangements de molécules dits à haute densité et à basse densité, suggèrent les résultats d’une nouvelle étude. La structure haute densité est illustrée ci-dessus avec des molécules contenant des atomes d’oxygène (sphères rouges) et des atomes d’hydrogène (sphères argentées). Timothy Holland/Pacific Northwest National Laboratory.

L’eau surfondue peut être une affaire de deux pour un.

Une théorie de longue date soutient que l’eau liquide, à des températures bien en dessous de zéro degré centigrade, est composée de deux arrangements différents des molécules, l’un à haute densité et l’autre à faible densité. Maintenant, une expérience fournit de nouvelles preuves pour confirmer cette théorie, come des chercheurs l’on rapporté dans la revue ‘Science’ du 18 septembre 2020.

En règle générale, l’eau gèle en dessous de 0° Celsius grâce aux impuretés, telles que la poussière dans l’eau, sur lesquelles des cristaux de glace peuvent se former, se ‘nucléer’. Mais l’eau pure, qui n’a pas ces démarreurs de cristallisation, peut rester liquide à des températures beaucoup plus basses : c’est le phénomène appelé surfusion [voir la note en annexe].

Dans les années 1990, un groupe de physiciens avaient proposé que des pressions élevées et des températures très basses, l’eau surfondue se divise en deux liquides distincts de densités différentes. À la pression atmosphérique, sous laquelle la nouvelle expérience avait eu lieu, l’eau surfondue conservait certaines traces de ce comportement, entraînant des arrangements transitoires à petite échelle de molécules dans des formations à haute et à basse densité. Les liquides normaux n’ont qu’un seul arrangement moléculaire et non pas deux.

Bien que des expériences aient fait allusion à cet effet, les scientifiques n’ont pas été en mesure de le cerner complètement le phénomène (SN : 18/06/14). « Il y a un secteur de température où [l’eau surfondue est] tout simplement très difficile à examiner expérimentalement », explique Loni Kringle du ‘Pacific Northwest National Laboratory’ à Richland, dans l’état de Washington aux Etats-Unis.

Entre environ –113° et –38° C, le liquide cristallise extrêmement rapidement, même s’il est entièrement pur. Cela rend difficile la détermination de ses propriétés, car les mesures doivent être effectuées en une fraction de seconde, avant que l’eau ne gèle.

Maintenant, Kringle et ses collègues ont entrevu ce régime de température trouble avec une expérience qui fonctionne un peu comme un film en stop-motion [voir une note en annexe).

Ils ont chauffé un mince film d’eau à l’aide d’un laser, puis ils ont refroidi rapidement le liquide. Le fait de frapper le film avec une lumière infrarouge a permis de révéler comment les molécules d’eau se bousculaient, faisant allusion à la structure de l’eau.

L’équipe a ensuite répété ce processus pour prendre des instantanés de l’évolution de cette structure au fil du temps lorsque le film était chauffé et refroidi. Cela a permis aux scientifiques de mesurer les propriétés du liquide à des températures auxquelles il se cristalliserait rapidement, s’il y était maintenu pendant de plus longues périodes.

Les chercheurs concluent que le comportement de l’eau, lorsqu’elle était chauffée et refroidie, pouvait s’expliquer par la coexistence de deux arrangements moléculaires différents, comme prévu précédemment. Cependant, l’équipe n’a pas mesuré directement la densité de ces structures : il reste donc encore du travail à faire pour confirmer si la théorie est correcte.

« La combinaison de techniques est assez nouvelle et originale », déclare l’ingénieur chimiste Pablo Debenedetti de l’Université de Princeton, qui n’a pas participé à l’étude.

Mieux comprendre les propriétés étranges de l’eau surfondue pourrait aider les scientifiques à comprendre les bizarreries de l’eau. Par exemple, contrairement à la plupart des substances, l’eau se dilate lorsqu’elle gèle, la rendant moins dense que sa forme liquide. C’est la raison pour laquelle la glace flotte dans une tasse et pourquoi elle se trouve au sommet d’un lac, laissant une couche liquide en dessous, qui peut abriter la vie aquatique pendant l’hiver.

« L’eau est un liquide très étrange », déclare le physicien Greg Kimmel, co-auteur de l’étude, travaillant également au ‘Pacific Northwest National Laboratory. « Mais tout le monde le connaît, donc nous ne réalisons pas vraiment à quel point c’est bizarre ».

Citations

L. Kringle et al. Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. Science. Vol. 369, September 18, 2020, p. 1490. doi : 10.1126/science.abb7542.

About Emily Conover (photo) - Physics writer Emily Conover has a Ph.D. in physics from the University of Chicago. She is a two-time winner of the D.C. Science Writers’ Association Newsbrief award.

A propos d’Emily Conover (photo) - La rédactrice en physique de ‘Science News’ ,Emily Conover, est titulaire d’un doctorat en physique de l’Université de Chicago. Elle a remporté à deux reprises le prix Newsbrief de la ‘D.C. Science Writers Association’.

Autres lectures :

Supercool, and StrangeBy Susan Gaidos January 22, 2008

A charge for freezing water at different temperaturesBy Lisa Grossman February 5, 2010

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Annexes ajoutées à l’article d’origine


Note sur la surfusion émanant de ‘meteofrance.fr’

La définition du degré 0°C dans l’échelle Celsius se fait à partir de la fusion de la glace sous la pression atmosphérique normale ; cette température de fusion, comme le rappelle l’article abordant le diagramme de phases de l’eau, reste en fait pratiquement la même dans toute l’atmosphère quelle que soit la valeur de la pression . On peut en déduire que les particules d’eau dans l’air sont fondues, c’est-à-dire à l’état liquide, au-dessus de 0°C, et qu’elles passent à l’état solide au-dessous de 0°C : et c’est bien ce qui survient habituellement autour de nous, près du sol ou de l’eau douce.

Pourtant, tel n’est pas toujours le cas, loin de là, au sein de l’atmosphère : l’eau peut s’y condenser sous forme de gouttes ou de gouttelettes en étant surfondue, c’est-à-dire à l’état liquide dans un air à température inférieure à 0°C. L’état physique correspondant, appelé la surfusion, est un exemple d’état métastable, dans lequel le système matériel que l’on considère se maintient en déséquilibre énergétique sans atteindre (sinon avec une extrême lenteur), l’état d’équilibre où il devrait se trouver après avoir perdu son excès d’énergie. La surfusion persiste tant que les particules d’eau liquide ne seraient capables que d’engendrer des germes solides de dimensions trop faibles, dont les surfaces se composeraient donc de molécules maintenues par des forces internes trop peu intenses ; inversement, la formation brutale de germes de glace à partir de surfaces irrégulières — sol, objets, aéronefs, etc… — ou autour d’impuretés et de noyaux de congélation en suspension dans l’air interrompt la surfusion et provoque la congélation immédiate des gouttes ou gouttelettes.

La surfusion de l’eau, présentée en physique comme un phénomène plutôt exceptionnel, est en réalité la règle en météorologie pour tout ce qui concerne les nuages et hydrométéores, au sein desquels les particules peuvent rester liquides jusque vers – 30°, voire - 40°C ; en même temps, des cristaux de glace commencent à apparaître en altitude, surtout à partir de - 10°C environ. Il en résulte que des particules d’eau surfondue et de glace cohabitent dans une grande partie des nuages : si, dans ceux de l’étage supérieur, les gouttes ou gouttelettes surfondues restent rares et fugaces, elles prédominent dans ceux de l’étage moyen et apparaissent dans les parties élevées des cumulonimbus et de certains cumulus.

Cette coexistence de particules liquides en surfusion et de cristaux de glace joue un rôle essentiel, à travers l’effet Bergeron, dans la mise en route de la plupart des précipitations ; au cours de ce processus, de la vapeur d’eau en sursaturation par rapport à la glace est émise par les gouttelettes d’eau surfondue et vient grossir les cristaux de glace ou les noyaux de congélation préexistants. La surfusion intervient également à côté de la coalescence dans la formation des grêlons, dont les noyaux de glace, au cours de leurs ascendances et subsidences alternées, captent des successions de gouttes de pluie surfondues. Le contact direct de particules liquides en surfusion avec des matériaux solides provoque le givre, qui dépose instantanément sur ces matériaux une masse de glace parfois importante et peut présenter un danger particulier pour les toits, les câbles aériens, etc…, et surtout pour les avions et, parfois aussi, les navires.

Outre les risques ainsi suscités par certains nuages et par les brouillards givrants , le phénomène de surfusion est bien sûr à l’origine des dangers de dérapage sur la chaussée ou le trottoir dus à la congélation de pluies ou de bruines verglaçantes et à la formation de couches de verglas ; alors, dans le salage des voies, du chlorure de sodium est répandu de façon à ce que ses ions forment avec les molécules de l’eau précipitée ou déposée un mélange dit ’eutectique’, dont les phases se différencieront comme celles d’un corps pur ayant une température de fusion nettement plus basse que celle de l’eau.

Lecture pour les initié s- Lorsqu’une particule liquide (P) d’un corps pur présente une interface (S) avec le vide ou avec un gaz, les molécules composant cette interface n’ont pas le même comportement que celles qui se trouvent au sein de cette particule : ces dernières sont soumises chacune à des forces d’interaction exercées sur elles par les molécules voisines, mais ces forces, également réparties dans l’espace, se compensent de façon que leur résultante s’annule en chaque molécule ; sur (S), par contre, chacune des molécules est entourée par un nombre moindre d’autres molécules réparties seulement autour et en deçà d’elle, de sorte que la résultante des forces d’interaction y est non nulle, perpendiculaire à (S) et dirigée vers l’intérieur de (P).

Ainsi, la frontière de (P) est analogue à une pellicule sur laquelle s’exercerait en chaque point une pression due à cette limitation spatiale du liquide ; pareille pression tend à réduire l’interface qui correspond à une masse donnée du corps pur : par exemple, les particules d’eau liquide se condensent dans l’atmosphère sous forme de gouttes ou gouttelettes sphériques, la surface de la sphère étant la plus petite surface possible d’un volume dont la valeur est fixée. Examinons alors comment l’interface de (P) peut être accrue d’une surface élémentaire (δS), assimilable à un rectangle ABCD dont les côtés AD et AB ont respectivement les longueurs très petites δx et δy : cet accroissement s’obtient par exemple en ajoutant l’aire élémentaire δS = δx δy par translation de AB à DC du segment de droite EF ayant pour milieu M. 

D’après ce que nous venons de dire, l’action exercée par la ’pression superficielle’ sur la pellicule tendrait à ramener EF à sa position initiale AB ; pour assurer l’extension de l’interface sur l’aire δS , il faut donc appliquer en M une force compensatrice F (M) tangente à l’interface, perpendiculaire à EF et dirigée de AB vers DC : l’intensité F (M) de cette force s’écrit sous la forme F (M) = a δx , où le coefficient a , mesurable en N.m - 1 , est appelé la tension superficielle .

Ce coefficient dépend du corps pur liquide et, éventuellement, du gaz qui lui fait face ; en outre, il décroît rapidement quand la température s’élève, cette élévation augmentant l’agitation des molécules superficielles. Le travail élémentaire δW(M) alors effectué par la force F (M) lors du déplacement de EF est égal à ( a δx ) δy , soit δW(M) = a δS : la tension superficielle est donc mesurable aussi bien en J.m - 2 et peut être considérée comme l’énergie que doit recevoir le corps pur liquide pour augmenter son interface d’une unité d’aire ; en particulier, pour que la particule (P) puisse se maintenir dans le volume qu’elle occupe, il lui faut emprunter à son environnement une quantité E s d’énergie (chimique) égale à a S .

Supposons que cette particule soit une goutte ou une gouttelette d’eau en suspension dans l’ air et observons le cas où elle subit une congélation en un germe sphérique de glace , de masse volumique ρ et de rayon r : la transformation de (P) suppose de la part de ce germe une absorption — positive — d’énergie E s , mais aussi une émission — négative — d’énergie E LS due à la transition de phase liquide-solide ; on a E LS = - ρ V L SL , où L SL est la chaleur latente de fusion de l’eau (positive) et V , le volume du germe, pratiquement égal à (1/3) S r . Pour que (P) se transforme, il est alors nécessaire qu’elle soit plus stable en phase solide qu’en phase liquide, ce qui exige l’inégalité E s + E LS < 0=’’ ou=’’ encore=’’ (1/3)=’’>S r ρ L SL > a S , soit finalement :

r > 3 a / (ρ L SL )

Dans l’atmosphère, cette condition n’est généralement pas satisfaite à 0°C , et la surfusion des particules liquides subsiste tant qu’elles ne pourraient engendrer que des germes solides de rayon r trop faible : pour que la transition ait lieu, il faut soit que se produise une secousse, soit que r caractérise en fait une surface solide rugueuse ou un noyau de congélation.

Explorez l’univers de Météo-France - Météo-France : actualités sur la météo et le climat,

Fichier:LogoMeteoFrance.png — Wikipédia

Source : http://www.meteofrance.fr/publications/glossaire/153991-surfusion

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Extraits d’un article de Wikipédia sur la Surfusion de l’eau

La surfusion est l’état d’une matière qui demeure en phase liquide alors que sa température est plus basse que son point de solidification. C’est un état dit métastable, c’est-à-dire qu’une petite perturbation peut suffire pour déclencher abruptement le changement vers la phase solide. Un état apparenté, appelé surchauffe, existe pour une matière qui demeure en phase liquide alors que sa température est plus élevée que son point d’ébullition

L’eau peut se présenter sous forme surfondue dans un intervalle de température allant de 0 à −42,55 °C7. Une étude de 2011 menée par des chimistes a démontré de manière théorique que la température minimale que l’eau surfondue peut atteindre avant solidification est −48 °C8. L’eau surfondue se congèlera dès qu’elle entrera en contact avec une surface solide ou un type particulier d’aérosol appelé « noyau de congélation ».

Effet stabilisateur des gaz dissous

La présence de gaz dissous (souvent appelés gaz « mélangés ») contribue au maintien de cet état liquide à une température inférieure à la température de fusion. Leur présence crée une agitation moléculaire ayant le même effet que la chaleur. En abaissant lentement la température d’un verre d’eau (par exemple 1/2 degré par jour) on augmente la quantité de gaz mélangés. Arrivé à moins deux degrés, on peut ajouter des impuretés à la surface, l’eau restera liquide, même en continuant à baisser progressivement la température. Si on agite, on libère les gaz mélangés et l’eau gèle instantanément.

L’expérience suivante est très simple à réaliser. Prenez une bouteille neuve (en plastique pour qu’elle n’éclate pas dangereusement) de boisson pétillante et placez-la entre −5 et −8 °C. Après quelques heures, l’échange de chaleur est fait et la boisson reste souvent liquide. Si on ouvre alors la bouteille, du gaz s’échappe et tout le contenu gèle en presque une seconde (la très faible baisse additionnelle de température due à la détente du gaz ne joue pas ici le rôle principal).

En météorologie

L’eau surfondue joue un rôle important dans plusieurs phénomènes météorologiques.

  • L’eau surfondue n’est pas rare dans les nuages, où les avions qui la rencontrent sont sujets au givrage. Cette accumulation de glace est particulièrement dangereuse car même une mince couche de glace sur des ailes peut diminuer leur portance, entrainant un risque de décrochage. De plus, les verrières peuvent aussi se couvrir de givre. Au sein des nuages, l’eau surfondue joue aussi un rôle primordial dans les processus menant à la formation de précipitations.
  • Sur l’océan, par temps très froid et venteux, les embruns peuvent devenir surfondus et geler sur la superstructure des navires. Cette situation peut compromettre leur stabilité et les mettre en danger.
  • Lorsque la pluie ou la bruine entrent dans une couche d’air plus froide que le point de congélation, les gouttelettes qui les composent peuvent devenir surfondues ; lorsqu’elles atteignent le sol, leur eau se transforme brutalement en glace, ce qui occasionne du verglas.
    https://upload.wikimedia.org/wikipe...

Solidification présentant une surfusion.

Source : https://fr.wikipedia.org/wiki/Surfusion

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Annexe :


Animation en volume (stop motion)

L’animation en volume (en anglais stop motion) est une technique d’animation utilisée avec des objets réels, dotés de volume. Alors que les objets sont immobiles en eux-mêmes, cette technique permet de créer l’illusion qu’ils sont dotés d’un mouvement naturel. Différents types d’objets sont utilisés à cette fin : des figurines articulées, des maquettes articulées, du papier plié, de la pâte à modeler, etc. Des exemples célèbres de films ayant recouru à cette technique sont King Kong (1933), de nombreux films fantastiques de la seconde moitié du XXe siècle dont ceux du célèbre Ray Harryhausen (1920-2013) ou, plus récemment, L’Île aux chiens (2018), de Wes Anderson, parmi bien d’autres exemples.

Dans la plupart des œuvres visuelles où cette technique est utilisée, un set constitué d’objets est filmé à l’aide d’une caméra dédiée à l’animation, c’est-à-dire pouvant enregistrer sur une pellicule cinématographique un seul photogramme chaque fois qu’elle est enclenchée, telle un appareil photo (technique de l’image par image), ou à l’aide d’une caméra à mémoire numérique. Entre chaque prise de vue d’une ou deux images, les objets de la scène sont légèrement déplacés ou transformés1. Lors de la restitution à la cadence normale de projection, ces objets — pourtant immobiles lors des prises de vue — donnent l’illusion de bouger par eux-mêmes. La technique est semblable à celle du dessin animé, mais avec des objets en trois dimensions.

Voir la source de l’article complet : https://fr.wikipedia.org/wiki/Animation_en_volume

A propos de surfusion de l’eau

Nous suggérons encore la lecture de nos traductions des deux articles suivants postés sur le site ISIAS :

’Les mouvements des macromolécules qui ‘dansent’’ par le Dr. Mae-Wan Ho mercredi 9 novembre 2011 par Ho Dr Mae-Wan - français

’Qu’est-ce que l’eau liquide ? ’ par le Prof. Martin Chaplin lundi 15 avril 2013 par Chaplin Martin - français

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Geler de l’eau instantanément- Surfusion – SuperCooling – Vidéo 2:50

Norbert explique nous - Avec cette expérience, vous allez transformer de l’eau en glace en quelques secondes. Il vous faut juste de l’eau, une bouteille en plastique et un réfrigérateur. C’est tout. La surfusion désigne une matière qui reste liquide en dessous de sa température de solidification. Et dans notre cas, c’est quand l’eau reste liquide malgré une température de -3° ou -4°C. Voici comment geler de l’eau instantanément ! Matériel : Caméra : http://amzn.to/2vU1K1I Micro : http://amzn.to/2gsSY58 Trépied : http://amzn.to/2x1hAww

Source : https://www.youtube.com/watch?v=5LFf6PseJ1E

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Addenda : La molécule d’eau - Crédit : P.E. Zörner et R. Apfelbach

La molécule d’eau

La molécule d’eau contient des atomes d’oxygène (sphères rouges) et des atomes d’hydrogène (sphères argentées)

L’eau a un moment dipolaire de 1,83 Debye. C’est grâce à leur polarité élevée que les molécules d’eau peuvent s’attirer les unes les autres. L’oxygène, plus électronégatif que l’hydrogène, va être localement chargé négativement. Par conservation de la charge, les atomes d’hydrogène vont être chargés positivement. Ils vont ainsi être capables de former des ’liaisons hydrogène’ aussi bien avec d’autres molécules d’eau que des macromolécules ... – Source : https://media4.obspm.fr/public/ressources_lu/pages_planetologie-habitabilite/html_images/envimage3.html

Entre l’eau qui sort actuellement de mon robinet et l’eau vivifiée, quelle différence ?

Molécule H²O

Molécule d’eau H²O - En rouge : l’atome d’oxygène (-) - En bleu : les atomes d’hydrogène (+)

L’eau, ce sont des molécules qui sont composées d’un atome d’oxygène et de 2 atomes d’hydrogène (symbole chimique H²O). L’eau est le seul élément naturel qui existe sur terre à la fois sous forme de gaz (vapeur d’eau), de liquide et de solide (la glace). C’est curieusement à la température de +4°C que sa densité est la plus élevée. C’est à la température de +37.5°C (tiens donc, c’est à peu près la température de notre corps !) que sa chaleur spécifique est la plus faible. C’est également à cette température que ses possibilités de restructuration son maximales. Ces molécules se regroupent en amas, en groupes, qu’on appelle ’clusters’. C’est l’attraction due à la polarité, exercée entre les atomes d’oxygène et d’hydrogène qui aboutit à la formation de ces clusters, ou macromolécules…

Source : https://www.eau-et-energies.fr/traitement-eau/effet-sur-eau.htm

Introduction d’une note sur l’eau

Eau :

La molécule d’eau Formule brute Composition atomique Formule développé
H2O -Deux atomes d’hydrogènes-Un atome d’oxygène H-O-H

La molécule d’eau “H2O” est électriquement neutre. En effet, cette molécule est composée d’un atome d’oxygène, chargé négativement, et deux atomes d’hydrogène, chargés positivement. On peut donc dire que la molécule H2O est dite polaire. Les liaisons qui maintiennent les atomes d’hydrogènes à l’atome d’oxygène sont dites covalentes.

Dans l’eau l’attirance électrostatique se fait entre un atome d’oxygène d’une molécule d’eau M1 et un atome d’hydrogène d’une molécule d’eau M2. Il se forme alors une liaison OH, appelée liaison hydrogène. Les molécules d’eau se lient entre elles grâce à ces liaisons hydrogènes et toutes les molécules possédant un groupement OH peuvent former des liaisons hydrogènes avec des molécules d’eau.

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Source : http://tpemayonnaise1.e-monsite.com/pages/mayonnaise/introduction.html

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Sciences - L’eau est bien composée de deux liquides !

Auteur : (Lire la bio)Laurent Sacco Journaliste - Publié le 28/12/2017 – Document ‘futura-sciences.com’

Les étonnantes propriétés de l’eau liquide viennent bien de ce qu’elle fluctue entre deux états distincts, comme le montrent de nouvelles études menées à basse température à l’aide des rayons X. Ces deux fluides peuvent se séparer dans certaines conditions.

Aux yeux des physiciens et des chimistes, l’eau possède des propriétés singulières, même sans évoquer son rôle évident pour nous, organismes vivants. En effet, lorsque la pression ou la température varient dans certains intervalles, la densité, la chaleur spécifique, la viscosité et la compressibilité de l’eau varient à l’inverse du comportement d’autres liquides. Ainsi, l’eau se dilate quand elle gèle : voilà pourquoi les glaçons flottent à la surface d’un verre d’eau. La densité de l’eau est en fait maximale vers 4 °C, ce qui explique pourquoi les fonds des lacs et des rivières sont occupés par des eaux à cette température, qui sont plus denses et donc plus lourdes à volume égal. Il en est généralement de même au fond des océans, mais pas toujours car la salinité de l’eau peut intervenir.

Il y a quelques mois, une équipe internationale de chercheurs, dont plusieurs sont en poste à l’université de Stockholm, avait publié un article faisant état de travaux portant sur la structure de l’eau lorsqu’elle passe de l’état de glace amorphe à celui d’un liquide. Les physiciens avaient utilisé une technique de diffraction des rayons X employée en cristallographie. Les mesures semblaient confirmer une théorie expliquant que l’eau liquide, même si on n’y rencontre que des molécules H2O, est en fait un mélange complexe de deux liquides.

L’eau à 4 °C est plus dense que la glace qui la surplombe. Le glaçon flotte. Mieux, dans certaines conditions de pression et de température, l’eau doit se séparer en deux phases liquides macroscopiques alors qu’elle est en général un mélange complexe. © Stockholm University >

L’eau pourrait se séparer en deux phases liquides

Plusieurs des membres suédois de l’équipe à l’origine de cette découverte publient aujourd’hui les résultats d’autres travaux sur les mystères de l’eau dans un article de Science. Des sources laser de rayons X au Japon et en Corée du Sud ont été mises à contribution pour étudier le comportement et la structure de l’eau en état de surfusion. Elle conserve alors son état liquide à pression ambiante mais à des températures qui peuvent être à plusieurs dizaines de degrés en dessous de 0 °C. Des chocs peuvent alors toutefois conduire à une prise en glace très rapide.

L’eau se dilate d’autant plus rapidement avec une variation de température qu’elle est froide et en dessous de 4 °C. Le phénomène est censé être maximal à -44 °C. C’est à cette température que ces chercheurs ont mené leurs expériences pour étudier la prise en glace.

Elles ont confirmé que l’eau était bien un mélange complexe oscillant perpétuellement entre deux liquides différents. Mais surtout, les chercheurs en tirent la conclusion que les deux liquides entre lesquels l’eau fluctue peuvent en fait se séparer en deux phases de densités différentes, comme le ferait l’eau et l’huile comme l’explique dans une vidéo Anders Nilsson, professeur de physico-chimie à l’université de Stockholm.

En bonus, ces travaux ont montré des différences selon que l’eau était ou non de l’eau lourde, donc de formule D2O, où D désigne un isotope de l’hydrogène, le deutérium. Ces différences doivent provenir d’effets quantiques résultant de l’influence des noyaux d’hydrogène sur les cortèges d’électrons.

Ce qu’il faut retenir :

  • Il existe plus de 70 propriétés de l’eau (point de fusion, densité, capacité calorifique, etc.) qui, prises ensemble, diffèrent de celles de la plupart des liquides. Ces propriétés anormales de l’eau sont une condition préalable à la vie telle que nous la connaissons. Pourtant, personne ne comprend très bien leurs origines.
  • L’eau peut aussi exister sous différentes formes de glaces, cristallines ou « amorphes ». Elle contient, même liquide, des petites structures ordonnées transitoires qu’il est possible d’étudier avec la diffraction des rayons X.
  • Cette méthode vient de révéler que l’eau liquide ordinaire était elle-même un mélange complexe et fluctuant de deux formes liquides qui peuvent se séparer macroscopiquement dans certaines conditions.
    Pour en savoir plus : Surprise : l’eau est composée de deux liquides ! - Article de Laurent Sacco publié le 28/06/2017

L’eau a des propriétés singulières qui déroutent encore chimistes et physiciens. En étudiant différentes formes de glace en train de fondre avec des rayons X, un groupe de chercheurs vient d’établir que l’eau liquide était en fait un mélange complexe de deux formes liquides de l’eau.

L’eau est au centre de notre vie. Elle semble ordinaire et familière, en tout cas pour nous, occidentaux des XXe et XXIe siècles. Pourtant, c’est un liquide singulier pour les physiciens et les chimistes. D’ailleurs, ceux-ci n’ont pas encore percé tous les secrets de l’eau, même armés des ordinateurs modernes et de l’équation de Schrödinger.

D’abord, l’eau est un solvant presque universel, en particulier pour les solides ioniques (comme les cristaux de sel) et les corps composés de molécules polaires. Ensuite, contrairement aux autres liquides, l’eau augmente de volume quand elle gèle ; c’est ce qui explique que les icebergs flottent. Toutefois, cela n’est vrai que lorsque l’on considère la forme de la glace connue de tout à chacun, mais physiciens et chimistes savent bien que plusieurs types de glace apparaissent dans différentes phases selon les conditions de température et de pression. Ils connaissent ainsi plus d’une dizaine de formes cristallines de l’eau, et même une forme dite amorphe, où il n’existe pas vraiment de structures ordonnées à grande échelle.

Ils savent toutefois que, même dans de l’eau liquide à des échelles de temps et de distances très courtes, des molécules d’eau s’assemblent très transitoirement du fait des fameuses liaisons hydrogène en donnant des structures cristallines. Ces structures sont appelées « des clusters d’eau ». Ce phénomène est si mal compris qu’il est actuellement considéré comme l’un des problèmes non résolus de la chimie.

Vidéo à consulter à la source : Une introduction à la cristallographie aux rayons X. © The Royal Institution, YouTube

Les mystères de la structure de l’eau

Pour tenter de percer les mystères de la structure de l’eau, qu’elle soit solide ou liquide, les physiciens ont recours à une puissante méthode de cristallographie : la diffraction des rayons X. Celle-ci a révolutionné notre compréhension de la matière, comme l’explique très bien la vidéo ci-dessus.

Mais, qui dit diffraction de rayons X, dit tout d’abord sources de rayons X : il s’agit généralement de synchrotrons, c’est-à-dire, plus précisément, d’accélérateurs d’électrons. Or, comme les membres d’une équipe internationale de physiciens viennent de l’expliquer dans une publication disponible sur Pnas, ils se sont servis des sources disponibles au laboratoire national d’Argonne (États-Unis) et au Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Synchrotron allemand à électrons), à Hambourg.

Les chercheurs ont tiré de leurs expériences la conclusion que l’eau liquide devait en fait être un mélange de deux formes liquides pour l’eau. Les spécialistes s’en doutaient depuis un certain temps. En effet, comme expliqué précédemment, la glace peut exister sous plusieurs formes cristallines et il existe aussi une « forme amorphe », qui n’est pas ordonnée à grande échelle et qui est donc désordonnée comme un liquide.

Deux glaces amorphes qui donnent deux liquides différents en fondant

Or, il existe en fait deux formes de glace amorphe ; leurs densités ne sont pas les mêmes et elles peuvent se transformer l’une dans l’autre. Les physico-chimistes s’étaient donc demandé si l’eau liquide n’était pas finalement elle-même un mélange de deux formes liquides, également de densités différentes et dont chacune pouvait conduire à basse température à de la glace amorphe. C’est précisément la transformation de ces glaces amorphes en liquides que les chercheurs ont pu suivre en étudiant avec les rayons X les modifications des structures malgré tout présentes.

Selon Lars G. M. Pettersson, professeur en physico-chimie théorique à l’université de Stockholm et coauteur du travail publié dans Pnas, « les nouveaux résultats soutiennent fortement l’idée que l’eau, à température ambiante, ne peut pas décider dans laquelle des deux formes elle devrait être, à haute ou faible densité, ce qui entraîne des fluctuations locales entre les deux. En un mot : l’eau n’est pas un liquide compliqué, mais deux liquides simples avec une relation compliquée ».

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Diffusive dynamics during the high-to-low density transition in amorphous ice

Maxima in the thermodynamic response and correlation functions of deeply supercooled water

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