Des scientifiques américains ont découvert que la surface de l'eau liquide, même à température ambiante, présente une structure qui ressemble de plus en plus à de la glace à mesure que l'on s'approche de l'interface eau-air. Phillip Geissler et Nathan Odendahl de l'Université de Californie à Berkeley, effectué des simulations informatiques de l'interface inégale entre l'air et l'eau et des motifs ordonnés identifiés, qui, selon eux, partagent des points communs importants avec la glace.
De l’atmosphère aux poumons humains, bon nombre des processus les plus importants de la planète se produisent à la surface d’une gouttelette d’eau, ce qui donne à cette recherche des implications potentielles dans les domaines de la physique, de la chimie et de la biologie.
"Les choses que nous avons travaillé pendant tant d'années pour comprendre l'eau dans son environnement global deviennent fausses aux interfaces", a déclaré Geissler, qui a utilisé des simulations pour étudier l'eau à un niveau moléculaire non accessible dans les expériences. Les mesures spectroscopiques de l’interface air-eau ont produit des résultats surprenants, suggérant des liaisons hydrogène ordonnées à la surface. Geissler et Odendahl étaient curieux de connaître les simulations précédentes, qui suggéraient la glace comme point de référence pour la structure de l'eau interfaciale, mais ils ne pensaient pas que ces résultats étaient concluants. En conséquence, ils ont mis au point un moyen de rechercher ces modèles plus en détail.
À la recherche d'une structure dans le désordre
L'eau liquide est désordonnée, les chercheurs savaient donc que les structures qu'ils recherchaient seraient difficiles à trouver, s'étendant sur quelques molécules seulement et enfouies sous le bruit. Ils avaient l’idée que les chercheurs précédents manquaient de détails parce qu’ils avaient traité l’interface comme un plan plat, alors qu’en réalité elle est molle et bosselée. Les travaux sur les interfaces air-eau douces ont été lancés il y a plus de 10 ans et ont révélé des couches parallèles à la surface, mais Geissler et Odendahl ont été les premiers à les utiliser pour rechercher un lien avec la glace.
Geissler s'est dit surpris lorsque Odendahl lui a montré les premiers résultats superposant les interfaces glace et eau-air. Ils soutiennent qu’avec le détail supplémentaire de l’interface instantanée, les couches à la surface de l’eau peuvent être divisées en sous-couches (voir figure ci-dessus). Les sous-couches parallèles sont une caractéristique de la face basale de la glace et présentent, selon le duo, une ressemblance frappante entre ces couches dans la glace et les interfaces eau-air.
En utilisant ces sous-couches comme point de référence, Geissler et Odendahl ont comparé les orientations des molécules, sachant que celle-ci est bien définie pour les molécules d'eau tétraédriques dans la glace. Lorsque les chercheurs ont cartographié la direction privilégiée des liaisons oxygène-hydrogène près de la surface de l’eau, ils ont observé un ordre qui, selon eux, semble correspondre à une face de glace. Ces modèles perdurent sur quelques diamètres moléculaires, ce qui est plus grand que les structures tétraédriques transitoires attendues dans l’eau en vrac.
La symétrie brisée oblige l'eau à s'organiser
Arguant leurs conclusions, Odendahl a déclaré : « Cette interface flexible nous a vraiment donné la confiance nécessaire pour dire qu’il ne s’agit pas seulement de quelques mesures fortuites. Si vous regardez la densité, si vous regardez l’orientation, si vous regardez les multiples couches, tout ce que nous avons regardé, il semble y avoir une correspondance.
L’eau s’avère électriquement morte aux interfaces
Cependant, l’interprétation des recherches sur la mécanique statistique des liquides est toujours controversée. Le débat en cours sur l’interface eau-air se résumera à la question fondamentale de savoir comment la glace est définie et si une structure qui s’étend sur seulement quelques molécules peut être considérée comme ayant des propriétés cristallines. En réfléchissant à leurs résultats, Geissler a déclaré : « Nous disposons désormais de ce point de référence structurel pour réfléchir à ces motifs structurels, et je pense que cela se révélera, en fin de compte, être un outil conceptuel très utile. »
La recherche est décrite dans le Journal de l'American Chemical Society.
