Les scientifiques ont découvert un état caché dans l’eau qui explique son comportement bizarre.
Des chercheurs de l'Université de Stockholm ont utilisé une technologie avancée de laser à rayons X pour découvrir une caractéristique de l'eau longtemps suspectée : un point critique qui apparaît lorsque l'eau est profondément surfondue, autour de -63 °C et 1 000 atmosphères. Cet état caché contribue à expliquer pourquoi l’eau se comporte de manière si inhabituelle dans des conditions normales. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.
L’eau est omniprésente et essentielle à la vie, mais elle se comporte très différemment de la plupart des autres liquides. Des propriétés telles que la densité, la chaleur spécifique, la viscosité et la compressibilité réagissent à la température et à la pression d'une manière qui va à l'encontre de ce que les scientifiques voient dans d'autres substances.
Pourquoi l'eau défie les règles physiques normales
La plupart des matériaux deviennent plus denses en refroidissant. Selon cette logique, l’eau devrait être plus dense à son point de congélation. Pourtant, les observations quotidiennes démontrent le contraire. La glace flotte, ce qui signifie qu’elle est moins dense que l’eau liquide. En fait, l’eau atteint sa densité maximale à 4 degrés C, c’est pourquoi elle coule sous la glace d’un verre ou dans des plans d’eau naturels.
Lorsqu'elle est refroidie en dessous de 4 degrés, l'eau recommence à se dilater. Si l’eau pure est refroidie encore en dessous de 0 degré sans geler (un processus possible lorsque la cristallisation est lente), cette expansion continue et s’accélère même à mesure que la température baisse. D'autres propriétés, notamment la compressibilité et la capacité thermique, deviennent également de plus en plus inhabituelles à mesure que l'eau refroidit.
Les lasers à rayons X révèlent l’état caché de l’eau
Pour enquêter sur ces mystères, les scientifiques ont utilisé des impulsions de rayons X ultra-rapides dans des installations en Corée du Sud, leur permettant d'observer l'eau avant qu'elle ne gèle. Cela a permis d’identifier le point critique et de confirmer son rôle dans le comportement inhabituel de l’eau.
"Ce qui était spécial, c'est que nous avons pu effectuer des radiographies à une vitesse inimaginable avant que la glace ne gèle et que nous avons pu observer comment la transition liquide-liquide disparaît et qu'un nouvel état critique apparaît", explique Anders Nilsson, professeur de physique chimique au département de physique de l'université de Stockholm. "Pendant des décennies, il y a eu des spéculations et différentes théories pour expliquer ces propriétés remarquables, et l'une d'entre elles était l'existence d'un point critique. Nous avons maintenant découvert qu'un tel point existe."
Deux formes liquides d'eau et une transition critique
L'eau est inhabituelle car elle peut exister sous deux formes liquides distinctes à basse température et à haute pression. Ces formes diffèrent par la façon dont leurs molécules sont disposées et liées. À mesure que la température augmente et que la pression diminue, la distinction entre ces deux états liquides disparaît, fusionnant en une seule phase au point critique.
Cette région est très instable, produisant des fluctuations sur une large plage de températures et de pressions, atteignant même les conditions quotidiennes. Dans cet état, l’eau se déplace entre les deux structures liquides, presque comme si elle ne pouvait pas se déposer sur l’une d’elles. Ce sont ces fluctuations qui confèrent à l’eau ses propriétés inhabituelles. Au-delà du point critique, l’eau entre dans un état supercritique, qui correspond à l’état de l’eau dans un environnement ambiant normal.
Un système qui ralentit à proximité d’un état de type « trou noir »
Les chercheurs ont également observé que la dynamique du système ralentit considérablement à l’approche du point critique. "On dirait presque que vous ne pouvez pas échapper au point critique si vous y entrez, presque comme un trou noir", explique Robin Tyburski, chercheur en physique chimique à l'Université de Stockholm.
Une percée basée sur une technologie avancée
"C'est incroyable de voir comment les glaces amorphes, un état de l'eau si étudié, sont devenues notre entrée dans la région critique. C'est une grande inspiration pour mes études ultérieures et un rappel des possibilités de faire des découvertes dans des sujets très étudiés tels que l'eau", déclare Aigerim Karina, postdoctorant en physique chimique à l'Université de Stockholm.
"C'était un rêve devenu réalité de pouvoir mesurer l'eau dans des conditions de température aussi basse sans geler", déclare Iason Andronis, doctorant en physique chimique à l'Université de Stockholm. "Beaucoup ont rêvé de trouver ce point critique, mais les moyens n'étaient pas disponibles avant le développement des lasers à rayons X."
Implications pour la science et la vie
"Je trouve très excitant que l'eau soit le seul liquide supercritique dans des conditions ambiantes où la vie existe et nous savons également qu'il n'y a pas de vie sans eau. Est-ce une pure coïncidence ou y a-t-il des connaissances essentielles que nous pourrions acquérir à l'avenir ?" déclare Fivos Perakis, professeur agrégé de physique chimique à l'Université de Stockholm.
Depuis plus d’un siècle, les scientifiques débattent des raisons pour lesquelles l’eau se comporte si différemment, depuis les travaux de Wolfgang Röntgen. Selon Anders Nilsson, cette découverte pourrait enfin résoudre ce débat. "Les chercheurs qui étudient la physique de l'eau peuvent désormais s'appuyer sur le modèle selon lequel l'eau a un point critique dans le régime de surfusion. La prochaine étape consiste à trouver les implications de ces découvertes sur l'importance de l'eau dans les processus physiques, chimiques, biologiques, géologiques et climatiques. Un grand défi pour les prochaines années."
Référence : « Preuve expérimentale d'un point critique liquide-liquide dans l'eau surfondue » par Seonju You, Marjorie Ladd-Parada, Kyeongmin Nam, Aigerim Karina, Seoyoung Lee, Myeongsik Shin, Cheolhee Yang, Yeseul Han, Sangmin Jeong, Kichan Park, Kyeongwon Kim, Minjeong Ki, Robin Tyburski, Iason Andronis, Keely Ralf, Jae Hyuk Lee, Intae Eom, Minseok Kim, Rory Ma, Dogeun Jang, Fivos Perakis, Peter H. Poole, Katrin Amann-Winkel, Kyung Hwan Kim et Anders Nilsson, 26 mars 2026,Science.
DOI : 10.1126/science.aec0018
La recherche a impliqué une collaboration entre des institutions, notamment l'Université POSTECH et PAL-XFEL en Corée du Sud, la Société Max Planck et l'Université Johannes Gutenberg en Allemagne, et l'Université St. Francis Xavier au Canada. Les contributeurs de l'Université de Stockholm comprenaient Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis et Fivos Perakis, ainsi que les anciens membres du groupe Kyung Hwan Kim, Marjorie Ladd-Parada et Katrin Amann-Winkel.
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Les scientifiques ont découvert un état caché dans l’eau qui explique son comportement bizarre.
Des chercheurs de l'Université de Stockholm ont utilisé une technologie avancée de laser à rayons X pour découvrir une caractéristique de l'eau longtemps suspectée : un point critique qui apparaît lorsque l'eau est profondément surfondue, autour de -63 °C et 1 000 atmosphères. Cet état caché contribue à expliquer pourquoi l’eau se comporte de manière si inhabituelle dans des conditions normales. Les résultats ont été publiés dans la revue Science.
L’eau est omniprésente et essentielle à la vie, mais elle se comporte très différemment de la plupart des autres liquides. Des propriétés telles que la densité, la chaleur spécifique, la viscosité et la compressibilité réagissent à la température et à la pression d'une manière qui va à l'encontre de ce que les scientifiques voient dans d'autres substances.
Pourquoi l'eau défie les règles physiques normales
La plupart des matériaux deviennent plus denses en refroidissant. Selon cette logique, l’eau devrait être plus dense à son point de congélation. Pourtant, les observations quotidiennes démontrent le contraire. La glace flotte, ce qui signifie qu’elle est moins dense que l’eau liquide. En fait, l’eau atteint sa densité maximale à 4 degrés C, c’est pourquoi elle coule sous la glace d’un verre ou dans des plans d’eau naturels.
Lorsqu'elle est refroidie en dessous de 4 degrés, l'eau recommence à se dilater. Si l’eau pure est refroidie encore en dessous de 0 degré sans geler (un processus possible lorsque la cristallisation est lente), cette expansion continue et s’accélère même à mesure que la température baisse. D'autres propriétés, notamment la compressibilité et la capacité thermique, deviennent également de plus en plus inhabituelles à mesure que l'eau refroidit.
Les lasers à rayons X révèlent l’état caché de l’eau
Pour enquêter sur ces mystères, les scientifiques ont utilisé des impulsions de rayons X ultra-rapides dans des installations en Corée du Sud, leur permettant d'observer l'eau avant qu'elle ne gèle. Cela a permis d’identifier le point critique et de confirmer son rôle dans le comportement inhabituel de l’eau.
"Ce qui était spécial, c'est que nous avons pu effectuer des radiographies à une vitesse inimaginable avant que la glace ne gèle et que nous avons pu observer comment la transition liquide-liquide disparaît et qu'un nouvel état critique apparaît", explique Anders Nilsson, professeur de physique chimique au département de physique de l'université de Stockholm. "Pendant des décennies, il y a eu des spéculations et différentes théories pour expliquer ces propriétés remarquables, et l'une d'entre elles était l'existence d'un point critique. Nous avons maintenant découvert qu'un tel point existe."
Deux formes liquides d'eau et une transition critique
L'eau est inhabituelle car elle peut exister sous deux formes liquides distinctes à basse température et à haute pression. Ces formes diffèrent par la façon dont leurs molécules sont disposées et liées. À mesure que la température augmente et que la pression diminue, la distinction entre ces deux états liquides disparaît, fusionnant en une seule phase au point critique.
Cette région est très instable, produisant des fluctuations sur une large plage de températures et de pressions, atteignant même les conditions quotidiennes. Dans cet état, l’eau se déplace entre les deux structures liquides, presque comme si elle ne pouvait pas se déposer sur l’une d’elles. Ce sont ces fluctuations qui confèrent à l’eau ses propriétés inhabituelles. Au-delà du point critique, l’eau entre dans un état supercritique, qui correspond à l’état de l’eau dans un environnement ambiant normal.
Un système qui ralentit à proximité d’un état de type « trou noir »
Les chercheurs ont également observé que la dynamique du système ralentit considérablement à l’approche du point critique. "On dirait presque que vous ne pouvez pas échapper au point critique si vous y entrez, presque comme un trou noir", explique Robin Tyburski, chercheur en physique chimique à l'Université de Stockholm.
Une percée basée sur une technologie avancée
"C'est incroyable de voir comment les glaces amorphes, un état de l'eau si étudié, sont devenues notre entrée dans la région critique. C'est une grande inspiration pour mes études ultérieures et un rappel des possibilités de faire des découvertes dans des sujets très étudiés tels que l'eau", déclare Aigerim Karina, postdoctorant en physique chimique à l'Université de Stockholm.
"C'était un rêve devenu réalité de pouvoir mesurer l'eau dans des conditions de température aussi basse sans geler", déclare Iason Andronis, doctorant en physique chimique à l'Université de Stockholm. "Beaucoup ont rêvé de trouver ce point critique, mais les moyens n'étaient pas disponibles avant le développement des lasers à rayons X."
Implications pour la science et la vie
"Je trouve très excitant que l'eau soit le seul liquide supercritique dans des conditions ambiantes où la vie existe et nous savons également qu'il n'y a pas de vie sans eau. Est-ce une pure coïncidence ou y a-t-il des connaissances essentielles que nous pourrions acquérir à l'avenir ?" déclare Fivos Perakis, professeur agrégé de physique chimique à l'Université de Stockholm.
Depuis plus d’un siècle, les scientifiques débattent des raisons pour lesquelles l’eau se comporte si différemment, depuis les travaux de Wolfgang Röntgen. Selon Anders Nilsson, cette découverte pourrait enfin résoudre ce débat. "Les chercheurs qui étudient la physique de l'eau peuvent désormais s'appuyer sur le modèle selon lequel l'eau a un point critique dans le régime de surfusion. La prochaine étape consiste à trouver les implications de ces découvertes sur l'importance de l'eau dans les processus physiques, chimiques, biologiques, géologiques et climatiques. Un grand défi pour les prochaines années."
Référence : « Preuve expérimentale d'un point critique liquide-liquide dans l'eau surfondue » par Seonju You, Marjorie Ladd-Parada, Kyeongmin Nam, Aigerim Karina, Seoyoung Lee, Myeongsik Shin, Cheolhee Yang, Yeseul Han, Sangmin Jeong, Kichan Park, Kyeongwon Kim, Minjeong Ki, Robin Tyburski, Iason Andronis, Keely Ralf, Jae Hyuk Lee, Intae Eom, Minseok Kim, Rory Ma, Dogeun Jang, Fivos Perakis, Peter H. Poole, Katrin Amann-Winkel, Kyung Hwan Kim et Anders Nilsson, 26 mars 2026,Science.
DOI : 10.1126/science.aec0018
La recherche a impliqué une collaboration entre des institutions, notamment l'Université POSTECH et PAL-XFEL en Corée du Sud, la Société Max Planck et l'Université Johannes Gutenberg en Allemagne, et l'Université St. Francis Xavier au Canada. Les contributeurs de l'Université de Stockholm comprenaient Aigerim Karina, Robin Tyburski, Iason Andronis et Fivos Perakis, ainsi que les anciens membres du groupe Kyung Hwan Kim, Marjorie Ladd-Parada et Katrin Amann-Winkel.
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