L’eau révèle son second point critique après trente ans de recherches

Une équipe internationale dirigée par Anders Nilsson de l’Université de Stockholm a apporté la première preuve expérimentale directe de l’existence d’un second point critique de l’eau, situé à -63°C sous une pression mille fois supérieure à l’atmosphérique. Leur découverte, publiée dans la revue Science, confirme une hypothèse formulée en 1992 et pourrait expliquer les propriétés uniques de l’eau dans notre vie quotidienne.

Pendant plus de trente ans, la communauté scientifique a spéculé sur l’existence d’un second point critique de l’eau dans son état surfondu. La quête théorique vient de trouver une validation expérimentale grâce à des techniques de pointe permettant d’explorer des régimes température-pression jusqu’alors inaccessibles.

Traverser le no man’s land moléculaire

Le principal obstacle à l’étude de ce phénomène résidait dans l’extrême instabilité de l’eau surfondue. En dessous de -38°C, la cristallisation en glace intervient en quelques nanosecondes seulement, rendant impossible l’observation directe dans ce que les chercheurs nomment le no man’s land. L’équipe d’Anders Nilsson a contourné la difficulté en utilisant des impulsions de rayons X ultra-courtes au laboratoire accélérateur de Pohang en Corée du Sud. Leur approche a permis de faire fondre rapidement de minuscules échantillons de glace amorphe et d’analyser le liquide résultant avant sa transformation en glace.

« Ce qui était particulier, c’est que nous avons pu prendre des radiographies d’une rapidité inimaginable avant que la glace ne gèle et observer comment la transition liquide-liquide disparaît et un nouvel état critique émerge », explique Anders Nilsson. « Pendant des décennies, il y a eu des spéculations et différentes théories pour expliquer ces propriétés remarquables, et l’une des théories était l’existence d’un point critique. Maintenant, nous avons découvert qu’un tel point existe. »

Validation d’une intuition théorique

L’hypothèse d’un second point critique remonte à 1992, lorsque Peter Poole, Francesco Sciortino et H. Eugene Stanley ont proposé, sur la base de simulations informatiques, que l’eau pouvait exister sous deux phases liquides distinctes. Selon leur modèle, une forme à haute densité et une forme à basse densité seraient séparées par une transition de phase se terminant à un point critique. Des études ultérieures, notamment une recherche menée en 2020 par Sciortino et Pablo Debenedetti de l’Université de Princeton, avaient renforcé cette théorie par des simulations, mais la confirmation expérimentale manquait.

Les travaux actuels révèlent également un phénomène intrigant : la dynamique moléculaire ralentit considérablement à proximité du point critique. « On dirait presque qu’on ne peut pas échapper au point critique si on y entre, un peu comme un trou noir », observe Robin Tyburski, membre de l’équipe de recherche.

Implications pour la compréhension de l’eau ordinaire

L’importance de la découverte dépasse largement le cadre des conditions extrêmes de laboratoire. À des températures et pressions supérieures au point critique, les molécules d’eau fluctuent entre des arrangements à haute densité et à faible densité. Ces fluctuations seraient à l’origine des propriétés singulières de l’eau que nous connaissons :

• Son maximum de densité autour de 4°C
• Sa compressibilité inhabituelle
• Sa capacité thermique particulière

« Les chercheurs qui étudient la physique de l’eau peuvent désormais s’accorder sur le modèle selon lequel l’eau possède un point critique dans le régime de surfusion », souligne Nilsson. « La prochaine étape consiste à découvrir les implications de ces découvertes sur l’importance de l’eau dans les processus physiques, chimiques, biologiques, géologiques et climatiques. »

Leur avancée ouvre de nouvelles perspectives pour comprendre le rôle fondamental de l’eau dans des domaines aussi variés que la biologie moléculaire, la climatologie ou la géologie. La confirmation expérimentale d’une hypothèse vieille de trois décennies illustre la persistance nécessaire à la recherche fondamentale et la sophistication croissante des outils d’investigation scientifique.

Article : « Experimental evidence of a liquid-liquid critical point in supercooled water » par Seonju You and Marjorie Ladd Parada et al – DOI: https://doi.org/10.1126/science.aec0018