"L’eau est coopérante et cohérente" par le Dr. Mae-Wan Ho

Traduction et compléments de Jacques Hallard

ISIS Biologie Eau
L’eau est coopérante et cohérente
Cooperative and Coherent Water - Série Jazz Quantique de l’eau
Les liaisons hydrogène qui coopèrent entre les molécules, donnent lieu à des réseaux en trois dimensions - favorables sur le plan énergique - , des clusters ou agrégats supramoléculaires d’eau liquide dans les conditions ambiantes : cela entraîne des corrélations bipolaires à long terme et la cohérence quantique
Dr. Mae-Wan Ho

Rapport ISIS 27/09/10
L’article original en anglais avec toutes les références et illustrations est intitulé Water’s Quantum Jazz - Cooperative and Coherent Water ; il est accessible par les membres de l’ISIS sur le site suivant : www.i-sis.org.uk/cooperativeCoheren...
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 Confessions d’une ‘hydrophiliaque’

De mon propre aveu, je suis ‘hydrophiliaque’ : je n’aime rien tant que de me plonger dans l’eau, au propre et au figuré. J’ai été obsédée par cette histoire d’eau, un vrai ‘biopic’ [voir Film biographique dans la rubrique ‘Définitions & Compléments’ in fine] comme si ma vie en dépendait, surtout sachant ce qu’on l’on peut savoir sur l’eau (voir [1] Two-States Water Explains All’ ? ‘Les deux états de l’eau qui expliquent tout’ SiS 32, et d’autres articles dans une longue série d’articles sur New Age of Water, ‘Le Nouvel Age de l’Eau’). L’eau est le composé chimique le plus simple et le plus fréquent sur la terre.

Pourtant, elle a des propriétés des plus complexes et de déroutantes ‘anomalies’ par rapport à ses voisins dans le tableau périodique des composés chimiques, sans lesquelles la vie, comme nous la connaissons, serait impossible. L’eau est restée un mystère pour des générations de très bons scientifiques qui ont fixé leur esprit sur l’eau (et à l’aide d’instruments sophistiqués), uniquement pour la laisser s’écouler gracieusement sur leurs doigts.

L’eau n’a pas d’autre forme que celle de la cuve ou du récipient qui la contient, aucun bruit, aucun mouvement, et peu de résistance, sauf si elle est mue et caressée par une douce brise en d’aimables ondulations, ou remuée en vagues ondulantes, clapotant comme une rigolade. Ou bien quand elle est fouettée par les ouragans en des forces hurlantes qui lancent des navires en l’air, ou par des séismes sous-marins dont le tsunami pousse en un grondement le déluge sur les rivages et vers les terres.

Les humeurs infiniment variées et radicalement différentes de l’eau sont la matière de la vie elle-même, en même temps qu’une sorte de manifestattion artistique. En effet, une bonne théorie scientifique doit capter l’art, pour expliquer la cohésion à long terme d’énormes volumes coalescents dans des tourbillons gigantesques, et pour témoigner en même temps de la diversité infinie de structures moléculaires qui font de chaque flocon de neige un événement unique dans l’histoire de l’univers (voir [2] Crystal Clear – Messages from Water , SiS 15).

Ce dernier épisode rassemble des données et des preuves, anciennes et nouvelles, qui confirment ce que beaucoup d’entre nous avaient prévu : l’eau est cohérente ; elle est en particulier cohérente au niveau quantique, et c’est ce qui compte pour l’ensemble de ses propriétés qui donne le vivant et la vie. Nous commençons par quelques notions de base sur lesquelles presque tout le monde est d’accord.

  L’eau aime les liaisons

Figure 1. La molécule d’eau avec des charges séparées, positives et négatives
La molécule d’eau est un dipôle permanent dans lequel des charges positives et négatives sont séparées, avec les deux atomes d’hydrogène au pôle positif et l’atome d’oxygène au pôle négatif.

Comme d’autres dipôles, les molécules d’eau peuvent s’empiler dans des interactions bipolaires, avec une alternance de pôles positifs et négatifs, l’un à côté de l’autre. Elle peut également se trouver engagée dans des interactions électrostatiques avec des ions chargés et d’autres dipôles dissous.
En outre, la molécule d’eau se complait dans la liaison hydrogène avec une autre molécule d’eau (Fig. 2), et avec des molécules et des ions qui y sont dissous. Une liaison hydrogène est constituée d’hydrogène partagé entre deux atomes électronégatifs, comme l’oxygène ou d’azote.

Un composé ou un groupe qui donne de l’hydrogène est un donneur
d’hydrogène, tandis qu’un composé ou un groupe qui accepte l’hydrogène est l’accepteur d’hydrogène. L’eau est à la fois donneur et accepteur d’hydrogène : elle peut faire don de deux atomes d’hydrogène et l’oxygène peut accepter deux autres hydrogènes.

La molécule d’eau est généralement représentée comme un tétraèdre avec quatre ‘bras’ - deux donneurs d’hydrogène et deux accepteurs d’hydrogène - pointant vers les sommets. Cette structure tétraédrique est typique de la glace ordinaire, où toutes les molécules d’eau sont réticulées dans un réseau cristallin hexagonal, (voir ci-dessous).

Des décennies de travaux de recherches ont abouti à un quasi-consensus : l’eau, aux températures et pressions ambiantes, existe comme un réseau dynamique de groupements ou agrégats supramoléculaires, où une partie des molécules sont reliées entre elles par des ‘liaisons hydrogène vacillantes’, semblables à celles de la glace ordinaire.

Il est également largement reconnu que le réseau de liaisons hydrogène de l’eau liquide intervient dans la plupart, sinon dans toutes ses propriétés anormales. Au-delà, il n’y a pas accord sur la proportion exacte de molécules liées par liaisons de type tétraédrique comme dans la glace, ni quant à la structure précise et la taille des agrégats, ni sur la façon dont les molécules peuvent librement se déplacer, et surtout si les interactions sont strictement locales avec leur plus proche voisin, ou beaucoup plus globales et étendues dans leur ampleur.

Dans la dernière décennie, des preuves substantielles ont émergé, indiquant que des interactions coopérantes entre les molécules interviennent pour une remarquable cohérence au cours du temps dans l’eau liquide, dans les conditions ambiantes.

Tout d’abord, l’eau a une constante diélectrique élevée et inhabituelle de 78 à la température ambiante, ce qui en fait le plus important solvant polaire en chimie et en biologie ; cela signifie aussi qu’elle est facilement polarisée par un champ électrique.

La constante diélectrique, ou permittivité statique relative, est une mesure de l’étendue dans laquelle elle concentre les lignes électrostatiques de flux par rapport à un vide.

Des chercheurs dirigés par Manu Sharma à l’Université de Princeton, dans le New Jersey aux Etats-Unis, ont montré par des simulations de dynamique moléculaire à partir des premiers principes, que la constante diélectrique élevée de l’eau est due à deux effets des liaisons hydrogène qui contribuent d’une manière égale [3].

La liaison hydrogène sert à aligner les dipôles et, en même temps, à repousser les charges positives et négatives au sein d’une molécule, augmentant ainsi le moment dipolaire moyen.

  Coopérativité par des liaisons hydrogène

En chimie, la coopérativité [on parle aussi de synergie] est la tendance des interactions chimiques individuelles à s’influencer les unes les autres, de sorte que les actions locales peuvent avoir des effets globaux, et vice versa ; le tout étant non prévisible et supérieur à la somme des parties. Ceci indique comment fonctionne un être vivant et pourquoi l’eau est aussi vitale pour la vie (voir [4] Quantum Jazz Biology , SiS 47) *.
* Voir la version en français intitulée "La biologie du "Jazz Quantique". Entretien de David Riley et Suzanne Snyde avec le Dr. Mae-Wan Ho, traduction et compléments de Jacques Hallard ; cette version est accessible sur le site suivant http://yonne.lautre.net/spip.php?ar...

A partir de calculs de chimie quantique et électronique, Roger A. Klein, chimiste quantique à l’Université de Bonn en Allemagne, a démontré que la coopérativité est impliquée dans la formation de clusters ou agrégats supramoléculaires par les liaisons hydrogène [5].

Les différentes formes de glace sont autant de variations sur le thème de molécules tétraédriques disposées en forme d’hexagones, ou d’anneaux de six composants, d’après des déterminations qui ont été faites par les techniques de diffraction de rayons X et de neutrons.

Il est donc raisonnable d’imaginer l’eau liquide comme des agrégats de scintillements, composés d’anneaux hexagonaux entrelacés, avec un peu d’ordre à long terme s’étendant en moyenne à au moins le troisième ou le deuxième plus proche voisin, ce qui est compatible avec les données de diffraction de rayons X ou des expériences de diffusion de neutrons (voir [1]).
Dans les gaz clathrates - où les gaz comme le méthane sont structurés en une sorte de cage, comme on le trouve dans la glace au fond de l’océan Arctique - les molécules d’eau ont tendance à former des réseaux pentagonaux de cages accolés sur leurs bordures.

La coopérativité est impliquée dans la formation de cycles en anneaux de cinq ou de six composés, comme en témoigne la plus grande énergie de stabilisation et la plus forte densité au ‘point critique de liaison’ (force de liaison) pour chaque liaison hydrogène dans l’agrégat, par rapport à une seule liaison hydrogène entre deux molécules d’eau (dimères). La densité électronique plus élevée et une force de liaison sont une conséquence du raccourcissement des liaisons hydrogène au sein de l’agrégat par rapport à celle d’un dimère.

Dans les clusters ou agrégats d’eau, l’augmentation de la coopérativité est davantage associée à une plus grande proportion de liaisons tétraédriques comme dans la glace, par rapport à la taille d’agrégat seul, une fois qu’a été atteinte la taille optimale du cycle en anneaux avec cinq ou six molécules d’eau.

Ainsi, ce n’est pas un hasard si le motif hexagonal est commun dans l’eau liquide et la glace, et que le motif pentagonal à bords joints se rencontre dans les clathrates de gaz. Ces deux motifs sont optimisés pour les interactions coopératives qui, à leur tour, rendent plus probables la formation de clusters ou agrégats. Il est prouvé que de grands agrégats existent réellement dans l’eau liquide dans des conditions normales, ce qui rend possible le transfert d’énergie cohérente.

  Transfert d’énergie par résonance grâce au réseau des liaisons hydrogène

A une température de 300 K (≡ 27˚C), environ 90 pour cent des molécules d’eau sont impliquées dans des liaisons hydrogène, selon une image prise en compte par des simulations de dynamique moléculaire et un grand nombre de données expérimentales [6, 7].

La structure du réseau des liaisons hydrogène fluctue sur des échelles de temps qui varient entre 10 fs (femtosecondes, 10-15 s) et 10 ps (picosecondes, 10-12 s), et comprend des changements dans les orientations moléculaires et dans les distances, les liaisons hydrogène se cassent et se reforment et ralentissent les mouvements de rotation.

La vibration de l’étendue de la liaison OH se manifeste par une bande à 270 cm-1 (en longueur d’onde, une autre façon d’exprimer la fréquence), centrée à 3.400 cm-1 dans la zone de l’infrarouge.

Lorsque la température diminue, le maximum de la bande se déplace vers les basses fréquences et l’enveloppe change de forme, ce qui indique une augmentation globale de la liaison hydrogène. La vibration de l’étendue de la liaison OH est un indicateur sensible des fluctuations structurelles et dynamiques dans le réseau étendu des liaisons hydrogène.

La spectroscopie d’écho photon infrarouge bidimensionnelle (2DIR-PE) a été ajoutée récemment à l’arsenal des techniques pour investiguer les propriétés de l’eau. La technique est basée sur l’excitation (pompage) de la vibration de l’étendue de la liaison OH à la lumière infrarouge, et sur la recherche de la réponse (l’écho) dans le spectre infrarouge.

En utilisant la spectroscopie 2DIR-PE, des chercheurs de l’Université de Toronto, au Canada, et de l’Institut d’optique non linéaire Max-Born à Berlin en Allemagne, ont découvert un transfert résonnant ultrarapide de l’énergie d’excitation entre les molécules d’eau qui prend place via un couplage dipôle dans le réseau des liaisons hydrogène [6].

Le temps de transfert d’énergie de 80 fs n’est pas affecté par la température de 340 à 274 K [7]. Ce temps de transfert dans l’eau pure est sensiblement plus rapide que les 700 fs précédemment mesurée dans un mélange D2O : H2O, où le transfert d’énergie de résonance est obstrué, et il est également beaucoup plus court que la durée de vie moyenne de la liaison hydrogène d’environ 1ps.

L’expérience menée à des températures différentes [7] a montré que les corrélations de fréquence (entre l’excitation et l’écho) dues à des structures locales sont perdues dans environ 50 fs à des températures élevées (allusion à un réseau de liaisons hydrogène beaucoup plus flexibles). Mais à des températures inférieures, ces corrélations sont de plus longue durée.
À 274 K (juste au-dessus de la congélation), un changement radical a lieu, et les corrélations de fréquence persistent au-delà de 200 fs, ce qui indique que les structures supramoléculaires des liaisons hydrogène sont stabilisées.

  Les grandes structures supramoléculaires dans l’eau

L’eau liquide à la température ambiante est traditionnellement considérée comme une phase homogène, avec une structure qui est en moyenne la même partout. Cependant, certains scientifiques, à commencer par Wilhelm Conrad Röntgen qui a remporté le prix Nobel 1901 pour la découverte des rayons X, croient que les anomalies de l’eau sont mieux expliquées si l’eau liquide est un mélange à l’équilibre des deux états qui diffèrent de part leur densité [1] .

Récemment, des chercheurs de l’Université de Stanford en Californie, Etats-Unis, ont apporté de nouvelles preuves que l’eau liquide est en effet non homogène sur une échelle de longueur d’environ 1 nm [8]. La combinaison de petits angles de diffusion de rayons X - qui donne des informations sur la taille des structures supramoléculaires avec l’émission de rayons-X et la diffusion Raman de rayons X, qui fournissent des informations sur la liaison hydrogène -, les chercheurs ont pu montrer, qu’à la température ordinaire, l’eau existe sous deux états distincts (sans intermédiaires) : l’eau de faible densité (LDW) dans laquelle les molécules font des liaisons hydrogène comme les formes tétraédriques dans la glace, d’une part, et de l’eau à haute densité (HDW) dans laquelle les molécules sont liées par des liaisons hydrogène plus distendues. Par conséquent, les fluctuations de densité se produisent sur une échelle de longueur d’environ 1,2 nm.

Une échelle de longueur de 1,2 nm englobe environ 70 molécules d’eau. Il est tentant d’admettre que le noyau interne de l’icosaèdre de Martin Chaplin contient 280 molécules d’eau, dont il a proposé que c’est la structure prédominante supraomoleculaire de l’eau dans des conditions ambiantes [1]. L’icosaèdre est composé de 20 unités identiques de 14 molécules liées par pont hydrogène, dont cinq se trouvent dans le noyau interne.

À 24˚C, la proportion d’eau avec des liaisons hydrogène dans une structure tétraédrique comme dans la glace, est d’environ 28,6 pour cent [7], et elle ne disparaît complètement qu’au point d’ébullition.

  Les effets quantiques dans l’eau

De plus en plus de chercheurs se rallient à l’idée que les effets quantiques doivent être pris en compte dans les simulations de dynamique moléculaire de l’eau, afin de reproduire et d’interpréter une série de résultats expérimentaux [9].

Kim Hyeon-Deuk et Koji Ando de l’Université de Kyoto, au Japon, croient que les effets quantiques jouent un rôle clé dans la dynamique du réseau des liaisons hydrogène, et qu’ils sont donc essentiels pour la compréhension des propriétés anormales de l’eau [10].

Les effets quantiques nucléaires - les effets dus aux noyaux des atomes - ont un impact significatif sur le comportement de l’eau. Cela est évident dans les grands changements observés dans de nombreuses propriétés de l’eau lorsque l’hydrogène (H) est remplacé par ses isotopes lourds, le deutérium (D) et le tritium (T). Par exemple, la fonte de D2O est de 3,82 K supérieure à celle de l’eau ordinaire, et l’effet est encore plus prononcé avec le tritium T2O.
La preuve des effets quantiques nucléaires dans l’eau ne cesse de croître. Récemment, des chercheurs de plusieurs instituts à Madrid, en Espagne, ont démontré que les effets quantiques nucléaires doivent être inclus dans les simulations de dynamique moléculaire, afin de reproduire les mesures de capacité thermique expérimentales sur une large plage de températures qui englobe la glace et l’eau liquide. Ils considèrent la capacité thermique de l’eau comme "une signature des effets quantiques nucléaires » [11].

Francesco Paesani et ses collègues de l’Université de Californie à La Jolla, Etats-Unis, ont étudié la réorientation moléculaire associée à la dynamique du réseau de liaisons hydrogène dans l’eau liquide, à l’aide de simulations de dynamique moléculaire quantique. Ils ont trouvé que les calculs sont en excellent accord avec les résultats expérimentaux obtenus, correspondant à différentes températures avec des mesures de spectroscopiques infrarouge femtoseconde, à polarisation résolue [12].

La comparaison avec les résultats obtenus en utilisant des simulations de dynamique moléculaire classique, a clairement indiqué que l’inclusion explicite des effets quantiques nucléaires est essentielle pour la reproduction des résultats expérimentaux.

 Preuve de la cohérence quantique à partir des expériences de résonance magnétique nucléaire

L’eau possède non seulement des propriétés quantiques : elle peut effectivement être - ou devenir - en état de cohérence quantique. La preuve de la cohérence quantique dans l’eau provient d’observations inattendues en résonance magnétique nucléaire (voir encadré) au cours des vingt dernières années.

Ce sont des signaux de cohérence quantique, multiples et intermoléculaires, générés par les effets collectifs de couplage de dipole du spin de chaque molécule, avec toutes les autres dans l’échantillon, jusqu-à 1 millimètre de là [13, 14].

Cela implique que tous les spins des molécules de l’échantillon sont corrélés, et entraînés par le même champ (électromagnétique) pour osciller en phase [15-17].

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 Définitions et compléments en français :

 Traduction, définitions et compléments :


Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles
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