Nouvelle preuve que l’eau se sépare en deux liquides différents à basse température
Un nouveau type de “changement de phase” dans l’eau a été recommandé pour la première fois, il y a 30 ans dans une étude menée par des scientifiques de l’Université de Boston. Parce que le changement a été prédit pour se produire sur des problèmes de surfusion, cependant, confirmer sa présence a été difficile. C’est parce qu’à ces basses températures, l’eau ne veut vraiment pas être liquide; au lieu de cela, il veut devenir de la glace rapidement. En raison de son statut caché, on ignore encore beaucoup de choses sur cette transition de phase liquide-liquide, contrairement aux exemples quotidiens de transitions d’étapes dans l’eau entre une phase forte ou vapeur et une étape liquide.
Cette nouvelle preuve, publiée dans Nature Physics, représente une avancée significative dans la confirmation de la théorie d’une transition de phase liquide-liquide proposée pour la première fois en 1992. Francesco Sciortino, aujourd’hui professeur à la Sapienza Università di Roma, était membre du groupe de recherche initial à l’Université de Boston, et est également co-auteur de cet article.
Le groupe a utilisé des simulations informatiques pour aider à clarifier les caractéristiques qui distinguent les deux liquides au degré microscopique. Ils ont découvert que les molécules d’eau dans le liquide à haute densité forment des arrangements considérés comme “topologiquement complexes”, comme un nœud de trèfle (pensez aux molécules disposées sous une forme telle qu’elles ressemblent à un bretzel) ou un lien de Hopf (pensez de deux maillons dans une chaîne en acier). Les molécules du liquide à densité énorme sont ainsi déclarées intriquées.
En revanche, les molécules du liquide à densité réduite créent principalement des anneaux simples; par conséquent, les molécules du liquide à faible densité ne sont pas enchevêtrées.
Andreas Neophytou, un Ph.D. étudiant au Collège de Birmingham avec le Dr Dwaipayan Chakrabarti, est l’auteur principal de l’article. Il dit : “Cette idée nous a offert une vision complètement nouvelle de ce qui est maintenant un problème de recherche vieux de 30 ans et, espérons-le, ce ne sera que le début.”
Les chercheurs ont utilisé un modèle colloïdal d’eau dans leur simulation, puis deux modèles moléculaires d’eau largement utilisés. Les colloïdes sont des particules qui peuvent être mille fois plus grosses qu’une seule molécule d’eau. En raison de leur dimension relativement plus grande et donc de leurs mouvements plus lents, les colloïdes sont utilisés pour voir et comprendre les phénomènes physiques qui se produisent également à des échelles de longueur atomique, voire moléculaire, beaucoup plus petites.
Le Dr Chakrabarti, co-auteur, déclare: “Ce modèle colloïdal d’eau fournit une loupe dans l’eau moléculaire et nous permet de percer les mystères de l’eau concernant l’histoire de deux liquides.”
Le professeur Sciortino déclare : ‘‘Dans ce travail, nous proposons, pour la première fois, une vision du changement d’étape liquide-liquide basée sur des idées d’intrication de réseau. Je suis sûr que ce travail inspirera une modélisation académique unique basée sur des théories topologiques.’’
Le groupe s’attend à ce que le modèle qu’ils ont développé ouvre la voie à des expériences récentes qui valideront le concept et étendront la théorie des liquides ‘‘intriqués’’ à d’autres liquides comme le silicium.
Pablo Debenedetti, professeur de génie chimique et biologique à l’Université de Princeton aux États-Unis et expert mondial dans ce domaine de recherche, remarque que ce beau travail informatique révèle la base topologique sous-jacente à la présence de différents étages liquides dans le même réseau formatrice de substance.
“En faisant cela, il enrichit considérablement et approfondit également notre compréhension d’un phénomène que de nombreuses preuves spéculatives et informatiques suggèrent de plus en plus comme étant au cœur de la physique du plus important des liquides : l’eau.”
“Christian Micheletti, professeur à International School for Advanced Researches in Trieste, en Italie, dont l’intérêt de recherche actuel réside dans la compréhension de l’influence de l’enchevêtrement, en particulier des nœuds et également des liens, sur la statique, la cinétique et la fonctionnalité des biopolymères, déclare, “avec ceci article unique, Neophytou et al. fait des percées numériques qui auront des conséquences dans divers domaines scientifiques.
Premièrement, leur modèle colloïdal sophistiqué et expérimental pour l’eau ouvre des perspectives entièrement nouvelles pour les études des liquides à grande échelle. Au-delà de cela, ils fournissent une preuve très solide que les changements d’étape qui peuvent être insaisissables pour l’analyse standard du cadre local des liquides sont plutôt facilement collectés en suivant les nœuds et également les liens dans le réseau de liaison du liquide.
“Le concept de recherche de telles complexités dans le domaine quelque peu abstrait des voies le long des liaisons moléculaires transitoires est très puissant, et je m’attends à ce qu’il soit largement adopté pour examiner les systèmes moléculaires complexes.”
Sciortino déclare : « L’eau, l’une après l’autre, révèle ses secrets. Rêvez à quel point ce serait beau si nous pouvions regarder à l’intérieur du liquide et observer la danse des molécules d’eau, la forme qu’elles scintillent et la forme qu’elles échangent avec leurs partenaires, restructurant le réseau de liaisons hydrogène. La réalisation du modèle colloïdal pour l’eau que nous proposons peut concrétiser ce rêve.
Plus d’information:
Andreas Neophytou et al, Nature topologique de la transition de phase liquide-liquide dans les liquides tétraédriques, Nature Physics (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01698-6
Lire l’article original sur PHYS.
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