L’eau est l’une des molécules les plus abondantes de l’univers, avec une composition chimique simple : deux atomes d’hydrogène et un atome d’oxygène. Pourtant, cette molécule abondante et en apparence simple possède des propriétés étonnantes découlant de ses configurations moléculaires et intermoléculaires particulières. À commencer par la configuration moléculaire où les groupements d’hydrogène et les paires d’électrons non liés de l’atome d’oxygène forment une molécule tétraédrique : on pourrait naïvement supposer que l’arrangement de liaison le plus simple serait une molécule linéaire, comme le dioxyde de carbone (qui, de ce fait, n’existe pas sous forme liquide et passe directement de l’état solide à l’état gazeux par sublimation). Cependant, dans une molécule d’eau, les atomes d’hydrogène se lient à l’atome d’oxygène avec un angle de liaison spécifique de 104,5°.
Cette configuration tétraédrique de la molécule d’eau génère un dipôle électrique partiel, rendant l’eau interactive sur le plan ionique et lui conférant des propriétés uniques, comme celle d’être un solvant universel. Elle explique également certaines anomalies thermodynamiques de l’eau liquide, telles qu’une densité plus faible à des températures plus basses en raison de la formation de réseaux de liaisons hydrogène coordonnés de manière tétraédrique. L’eau liquide forme des réseaux structurés intermoléculaires qui, contrairement à presque tous les autres liquides, se dilatent en se refroidissant, tandis que sa phase solide (la glace) est moins dense que sa phase liquide.
(a) Distribution électronique dans la molécule d’eau : la structure tétraédrique des orbitales moléculaires est illustrée, montrant les électrons impliqués dans les liaisons covalentes ainsi que les paires libres, conformément à la théorie VSEPR [43, 44]. (b) Structure d’une molécule d’eau isolée (les atomes d’hydrogène sont représentés en blanc et l’atome d’oxygène en rouge) [par Greg Stewart, graphiste au SLAC National Accelerator Laboratory, États-Unis], selon le modèle boule-et-bâton. (c) Arrangement tétraédrique des molécules d’eau liées par des liaisons hydrogène [Molecular Cell Biology, Sixth Edition © 2008, W.H. Freeman and Company].
Ces nombreuses caractéristiques uniques et en apparence atypiques de l’eau liquide en font la molécule fondamentale de la vie. Elle agit comme un support central pour l’échange d’informations et coordonne l’activité d’un grand nombre de macromolécules complexes : déterminant la forme et la fonction des protéines, de l’ADN, de l’ARN et des lipides, et permettant la biochimie qui constitue le fondement du système vivant.
L’eau est essentielle à l’évolution de la vie et à son maintien. Elle possède des propriétés spécifiques que l’on ne retrouve dans aucun autre matériau et qui sont indispensables aux processus vitaux. Ces propriétés résultent de l’environnement des liaisons hydrogène, particulièrement manifeste dans l’eau liquide. Chaque molécule d’eau liquide est impliquée dans environ quatre liaisons hydrogène, dont la force est nettement inférieure à celle des liaisons covalentes, mais nettement supérieure à l’énergie thermique naturelle. Ces liaisons hydrogène sont grossièrement arrangées en tétraèdre, de sorte que lorsqu’elles sont fortement établies, le regroupement local s’étend, ce qui diminue la densité. Cette structuration à faible densité se produit naturellement à des températures basses ou surfondues et engendre de nombreuses propriétés physiques et chimiques qui témoignent de l’unicité particulière de l’eau liquide. Si les liaisons hydrogène aqueuses étaient légèrement plus fortes, l’eau se comporterait comme un verre. En revanche, si elles étaient plus faibles, l’eau serait un gaz et n’existerait sous forme liquide qu’à des températures inférieures à zéro. -Martin Chaplin, La force des liaisons hydrogène de l’eau
Compte tenu de l’importance de cette petite molécule qui fait tant de choses, les scientifiques sont impatients de révéler et de comprendre davantage de ses secrets cachés dans ses réseaux moléculaires. L’une de ces études a permis de faire un grand pas en avant en démontrant qu’il existe une distinction topologique claire entre ses deux réseaux liquides surfondus, chacun de densité différente, une découverte qui pourrait avoir des implications considérables pour la compréhension des transitions de phase liquide-liquide dans les liquides tétraédriques tels que l’eau.
L’étude, publiée dans la revue Nature Physics [1], démontre que, dans l’eau profondément surfondue, une transition de phase liquide-liquide se produit : un réseau intermoléculaire non enchevêtré et de faible densité évolue vers un liquide enchevêtré et de haute densité, contenant des motifs topologiquement complexes tels que des nœuds en trèfle et des liens de Hopf (voir l’image ci-dessous).
Comme le décrit un article de la Sapienza Università di Roma, où la recherche a été menée en partie :
L’auteur principal, Andreas Neophytou, étudiant en doctorat à l’Université de Birmingham, déclare que « cette découverte nous a permis d’aborder sous un angle totalement nouveau ce qui constitue aujourd’hui un problème de recherche vieux de 30 ans, et nous espérons qu’il ne s’agira que d’un nouveau départ ». L’équipe de chercheurs a d’abord mis en évidence la distinction topologique des deux liquides dans un modèle colloïdal de l’eau, puis dans deux modèles moléculaires de l’eau largement utilisés, à l’aide de simulations informatiques. Les colloïdes sont des particules pouvant être jusqu’à mille fois plus grandes qu’une seule molécule d’eau. En raison de leur taille relativement plus grande, et donc de leurs mouvements plus lents, les colloïdes sont souvent qualifiés de « gros atomes » et sont utilisés pour observer et comprendre des phénomènes physiques qui se manifestent également à des échelles de longueur atomique et moléculaire bien plus petites.
En outre, plusieurs experts ont discuté de l’importance de cette étude remarquable :
Pablo Debenedetti, professeur de génie chimique et biologique à l’université de Princeton (États-Unis) et expert mondial dans ce domaine de recherche, remarque : « Ce magnifique travail computationnel permet de découvrir la base topologique sous-jacente à l’existence de différentes phases liquides dans une même substance formant un réseau ». Il ajoute : « Ce faisant, il enrichit et approfondit considérablement notre compréhension d’un phénomène dont les nombreuses preuves expérimentales et informatiques suggèrent de plus en plus qu’il est au cœur de la physique du plus important des liquides : l’eau ».
Christian Micheletti, professeur à l’International School for Advanced Studies de Trieste, en Italie, dont les recherches actuelles portent sur l’impact de l’enchevêtrement, en particulier des nœuds et des liens, sur la statique, la cinétique et la fonctionnalité des biopolymères, remarque : « Avec ce seul article, Neophytou et al. ont réalisé plusieurs percées qui auront des répercussions dans divers domaines scientifiques. Tout d’abord, leur modèle colloïdal élégant et expérimental pour l’eau ouvre des perspectives entièrement nouvelles pour les études à grande échelle des liquides. En outre, ils fournissent des preuves solides montrant que les transitions de phase, qui peuvent échapper à l’analyse traditionnelle de la structure locale des liquides, sont en revanche facilement détectées en suivant les nœuds et les liens dans le réseau de liaisons du liquide. L’idée de rechercher de telles subtilités dans l’espace quelque peu abstrait des trajets qui suivent les liaisons moléculaires transitoires est très puissante, et je m’attends à ce qu’elle soit largement adoptée pour étudier les systèmes moléculaires complexes ». (https://www.phys.uniroma1.it/fisica/archivionotizie/topological-nature-liquid-liquid-phase-transition-tetrahedral-liquids)
Papier de référence :
[1] Neophytou, A., Chakrabarti, D. & Sciortino, F. Topological nature of the liquid–liquid phase transition in tetrahedral liquids. Nat. Phys. 18, 1248–1253 (2022). https://doi.org/10.1038/s41567-022-01698-6
