Une étendue d’eau cachée, longtemps immergée, a finalement été ramenée à la surface.
De nouvelles expériences ont révélé le point critique de l'eau surfondue : une pression et une température spécifiques auxquelles deux phases distinctes de l'eau se transforment en une seule. Le point critique se situe à environ 210 kelvins (environ –63° Celsius) et à environ 1 000 fois la pression exercée par l'atmosphère terrestre au niveau de la mer, rapportent des chercheurs dans le rapport du 26 mars. Science. Cette découverte pourrait aider à expliquer certaines propriétés étranges de ce liquide omniprésent et très important.
On sait déjà que l’eau a un point critique à haute température. A environ 374°C et 218 fois la pression atmosphérique, la distinction entre les phases liquide et gazeuse s'efface. Au-delà de ce point critique, l’eau est ce qu’on appelle un fluide supercritique.
Les scientifiques prédisaient depuis longtemps qu’un deuxième point critique existait à basse température, dans l’eau surfondue, ce qui signifie qu’elle reste temporairement liquide en dessous de son point de congélation normal. « Pendant 20 ans ou plus, beaucoup de gens attendaient de voir des preuves directes… basées sur des expériences », explique le physicien Nicolas Giovambattista du Brooklyn College de New York, qui n'a pas participé à la recherche. « C'est incroyable que cela soit enfin arrivé. »
Certaines propriétés étranges de l’eau ont fait entrevoir cette possibilité aux scientifiques. Par exemple, la densité de la plupart des liquides augmente lors du refroidissement. Mais la densité de l’eau augmente jusqu’à environ 4°C où elle atteint un maximum. Ensuite, le cours s’inverse : un refroidissement supplémentaire rend l’eau moins dense. Et la capacité thermique de l’eau, la quantité d’énergie nécessaire pour augmenter sa température d’une quantité donnée, effectue une volte-face similaire.
Les scientifiques soupçonnaient que ces propriétés de bascule pourraient être le signe d’un point critique caché à des températures plus basses.
En 2020, des expériences ont prouvé que l’eau surfondue peut prendre deux phases différentes : un liquide à haute densité ou un liquide à faible densité. On pensait que ces deux phases ne feraient plus qu'une au point critique, mais jusqu'à présent, cela n'avait pas été observé.
Les expériences à des pressions et des températures proches du point critique prévu sont extrêmement difficiles. Ce royaume est connu sous le nom de « no man's land » car l'eau surfondue y gèle presque instantanément. Le physicien chimiste Anders Nilsson de l’Université de Stockholm et ses collègues se sont donc tournés vers des tactiques sophistiquées. « Nous devons tout faire très rapidement », déclare Nilsson.
Les chercheurs ont commencé avec de minuscules échantillons de types spéciaux de glace, appelés glace amorphe, dans lesquels les molécules sont mélangées plutôt que disposées dans une structure cristalline. Dans le cadre d'expériences menées au laboratoire de l'accélérateur de Pohang en Corée du Sud, des chercheurs ont frappé chaque échantillon de glace avec une courte explosion d'un laser infrarouge pour le faire fondre. Ensuite, en quelques nanosecondes ou microsecondes, ils l'ont sondé avec le laser à rayons X du laboratoire. Les résultats ont révélé la structure et la densité du liquide sous diverses pressions et températures.
Des instantanés du liquide qui vient de fondre, pris au fil du temps à mesure que l'eau se dilatait, ont révélé le comportement de l'eau à mesure que la pression dans l'échantillon diminuait. En dessous du point critique, il y avait une transition de phase distincte d’un liquide à un autre à mesure que la pression diminuait. À des températures plus élevées, il n’y avait pas de transition entre deux liquides distincts, ce qui indique que le point critique avait été atteint.
Les résultats des chercheurs sont impressionnants, déclare le physicien Greg Kimmel du Pacific Northwest National Laboratory à Richland, Washington. « Les données qu'ils présentent montrent une image assez claire », correspondant à l'hypothèse du point critique. Il note cependant que les travaux supposent que le liquide a atteint un état d’équilibre, c’est-à-dire que les flux de matière et d’énergie se sont stabilisés. Et comme les mesures sont prises si rapidement, il n’est pas clair si tel est le cas.
Pour Giovambattista, qui a passé sa carrière à réaliser des simulations informatiques de l'eau et de ce point critique, le simple fait de la voir dans le monde réel est un soulagement. « C'est une sorte de paix intérieure. »
