Les scientifiques de l'Université de Tokyo ont étudié en détail la structure de l'eau en tant que liquide et ont constaté que ses propriétés dépendent du rapport entre deux états de phase.
Tout le monde sait que les propriétés de l'eau sont différentes de la plupart des liquides: elle se dilate lorsqu'elle gèle (donc la glace est plus légère), lorsqu'elle se contracte, sa viscosité diminue, etc. Ces propriétés apparemment anormales nous sont expliquées à l'école par la présence de liaisons hydrogène entre molécules. Cependant, les détails sont encore mal compris, bien que le sujet soit extrêmement important pour la chimie et la physique. Les propriétés spécifiques de l'eau sont également utilisées en médecine et dans les disciplines techniques.
L'Institut des Sciences Industrielles de l'Université de Tokyo a pu progresser dans la compréhension du phénomène de la structure de l'eau.
L'eau à l'état liquide forme des structures tétraédriques de nature locale, qui se forment à l'aide de liaisons hydrogène - cela est connu depuis longtemps. Les scientifiques japonais ont déterminé que l'eau n'est pas simplement une «eau désordonnée» dans laquelle flottent des «particules» d '«eau tétraédrique»: le système a un diagramme d'état similaire aux phases solides.
Un modèle a été développé qui considère l'eau liquide comme un système composé de deux phases. Le premier est un état désordonné avec une symétrie de rotation élevée. En termes simples, c'est l'absence de tout schéma défini dans les «directions» des molécules dans un liquide. La deuxième phase est non seulement d'ordre tétraédrique, mais également thermodynamiquement dans un état de déséquilibre. L'interaction de ces états est décrite par le paramètre lambda (λ), dont la signification physique est une évaluation de la force relative des interactions intermoléculaires de nature paire et triple. C'est-à-dire, l'habituel, entre deux molécules libres, et entre les molécules qui composent la structure tétraédrique. En conséquence, une augmentation du paramètre λ indique une augmentation de la commande du système.
Ce modèle semble simple, mais il prédit bien le comportement anormal de l'eau en tant que liquide.
L'un des responsables de l'étude, John Russo, explique: "… À mesure que λ augmente, les coquilles tétraédriques qui se forment autour de chaque molécule deviennent énergétiquement plus stables." Cela compense la consommation d'énergie pour la commande de la structure dans son ensemble. Les scientifiques, changeant λ, ont modélisé des diagrammes de phases dont la structure peut être assez inattendue. Ainsi, la figure de gauche montre la structure de l'eau de type Si34 - elle est formée sous pression négative. De plus, sa structure est clathrate, c'est-à-dire qu'il s'agit en fait d'un composé d'inclusion: certaines des molécules d'eau se trouvent dans les cavités de la structure formée par ses autres molécules.
Image de la structure de l'eau dans l'état de phase Si34 (à gauche) et diagramme de phase en coordonnées λ / pression (à droite) / Institute of Industrial Science, The University of Tokyo.
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La dépendance révélée n'est pas linéaire, l'effet maximum sur les propriétés de l'eau se produit à λ = 23,15.
Hajime Tanaka, l'un des chefs de projet, a souligné le rôle important de la recherche en chimie physique.
La relation entre les paramètres macroscopiques tels que la viscosité et les structures microscopiques, produites à l'aide d'un modèle relativement simple, est en effet une réalisation importante. D'un point de vue pratique, la compréhension de la structure de l'eau devrait aider au développement de filtres fins efficaces.
Anton Bugaychuk
