« Nous disons cela, précise José Teixeira, chercheur au Laboratoire Léon Brillouin¹, parce que sa structure est très différente des fluides idéaux comme l'argon qui nous servent de modèles d'étude. » De plus, lorsqu'on la compare à d'autres molécules présentes dans la nature, son comportement continue à nous échapper. Bernard Cabane, du Laboratoire de physique et mécanique des milieux hétérogènes², ajoute ainsi : « Si on regarde les éléments qui suivent directement l'oxygène – l'eau est de formule chimique H₂O, un atome d'oxygène lié à deux atomes d'hydrogène – dans la classification périodique pour essayer de savoir sous quelle forme est l'eau à température ambiante, alors tout laisse à penser qu'elle doit être gazeuse, comme l'est, par exemple, le sulfure d'hydrogène, de formule H₂S. »

Mais elle est bel et bien liquide. Pourquoi ? Parce qu'il existe une interaction particulière – la liaison hydrogène – entre les différentes molécules qui la constituent. Il y a pourtant bien longtemps que les scientifiques ont constaté que la molécule d'alcool aussi possède cette liaison. Mais force est de reconnaître qu'elle n'a pas les mêmes propriétés que pour l'eau. Cette liaison apparaît quand un atome d'hydrogène d'une molécule (H₂O) peut se lier à un autre atome d'oxygène d'une molécule voisine. En moyenne, une molécule d'eau est ainsi liée à quatre autres. « Et c'est cet arrangement des molécules qui explique en partie les propriétés

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© voir infra

La liaison hydrogène - le "pont" entre deux molécules d'eau- est une clé pour comprendre la structure de ce précieux liquide.

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Mais les physiciens ne sont pas à court d'idées pour tenter de lever le mystère. Pour cela, ils étudient sa structure à froid. « Les liaisons hydrogène sont plus stables en dessous de 0°C, explique José Teixeira. On peut alors tenter de mieux comprendre l'eau liquide si on suit son évolution jusqu'à -40°C. » Liquide jusqu'à -40°C ? Oui, si elle est débarrassée de toutes ses impuretés, sans quoi elle cristallise immédiatement. Les scientifiques appellent cela la surfusion (voir diagramme de phase, infra), qui existe d'ailleurs pour d'autres liquides, comme le toluène, le gallium ou la silice fondue. « Pour le moment, le record pour l'eau est à -42°C – à peine mieux que pour l'eau surfondue présente dans certains nuages atmosphériques –, précise Frédéric Caupin, chercheur au Laboratoire de physique statistique de l'ENS⁴. En dessous de -40°C, rien que l'agitation thermique des molécules d'eau semble suffisante pour que le liquide se transforme en glace. » Passée cette barrière de température, la durée de vie de l'eau liquide devient extrêmement brève. Les physiciens n'ont alors plus le moyen de l'observer. C'est aux alentours de -130°C qu'apparaît un autre phénomène intéressant : si l'eau est refroidie suffisamment vite jusqu'à cette température, elle se transforme en glace amorphe, c'est-à-dire qu'elle a la structure du verre⁵ (voir enquête 3).

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© LEGI Photo J.p.Franc, J.M. Michel

Pour lever les mystères de l'eau, les physiciens misent sur les expériences de cavitation (ici réalisée dans un tunnel hydrodynamique) où apparaissent des bulles de vapeur d'eau.

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Une constatation s'impose : « On ne sait rien sur la structure de l'eau entre -40°C et -130°C », avoue José Teixeira. Non sans humour, les chercheurs appellent cette zone le « no man's land ». Rebondissement en 1984 : les physiciens Mishima, Calvert et Whalley découvrent une deuxième forme de glace amorphe, plus dense que la première, en comprimant la glace ordinaire à très basse température. Un résultat qui a fait resurgir des idées anciennes. En effet, en 1892, Röntgen avait émis l'hypothèse que l'eau était un mélange de liquide et de glace. Aujourd'hui, certains voient dans la découverte des deux formes de glace amorphe une piste prometteuse : l'eau serait, au moins à basse température, un mélange de deux liquides, l'un de faible densité et l'autre de haute densité. Une idée qui laisse un peu sceptique José Teixeira. Et il suggère que le responsable est encore et toujours la liaison hydrogène. Mais comment trancher, alors que le no man's land reste inaccessible aux mesures ? Une solution : améliorer les expériences dites de cavitation, qui se déroulent à température ambiante et à des pressions qualifiées de « négatives »⁶. Elles mettent à l'épreuve la cohésion de l'eau en recherchant la traction maximale qu'on peut exercer avec des ultrasons sur de l'eau liquide avant que la première bulle de vapeur ne se forme. « L'espoir est d'atteindre une pression de -1400 bars, commente Frédéric Caupin. Alors, nous aurions des éléments nouveaux qui permettraient d'écarter certaines hypothèses sur la structure de l'eau. » Malheureusement, ces expériences sont aujourd'hui très difficiles à réaliser. Des progrès restent encore à accomplir dans la purification de l'eau. Patience donc. Le mystère de l'eau risque de turlupiner les chercheurs pendant encore de nombreuses années.

Julien Bourdet