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L’eau réfrigérée est deux liquides en un, étudiez les émissions Chimie physique

Les premières mesures de l’eau courante à des températures comprises entre 135 K (moins 138,15 degrés Celsius ou moins 216,7 degrés Fahrenheit) et 235 K (moins 38,15 degrés Celsius ou moins 36,7 degrés Fahrenheit) prouvent qu’elle existe dans deux structures différentes qui coexistent et varient proportionnellement à la température.

Kringle et ses collègues ont enregistré des changements réversibles dans la structure de l'eau refroidie en utilisant le chauffage laser pulsé et la spectroscopie infrarouge. Crédit d'image: Timothy Holland, Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest.

Kringle et d’autres capturé les changements réversibles dans la structure de l’eau froide à l’aide du chauffage laser pulsé et de la spectroscopie infrarouge. Crédit d’image: Timothy Holland, Laboratoire national du Pacifique Nord-Ouest.

L’eau liquide aux températures les plus extrêmes possibles a longtemps fait l’objet de théories et de spéculations concurrentes.

Certains scientifiques se sont demandé s’il était même possible que l’eau existe vraiment sous forme de liquide à des températures aussi élevées que 190 K (moins 83,15 degrés Celsius ou 117,7 degrés Fahrenheit) ou si le comportement étrange ne fait que réorganiser l’eau sur son chemin inévitable vers le solide.

« Nous avons montré que l’eau liquide à des températures extrêmement froides n’est pas seulement relativement stable, elle existe pour deux motifs structurels », a déclaré le co-auteur principal Dr. Greg Kimmel, physicien chimiste du Département des sciences physiques du Pacifique Nord-Ouest du Laboratoire national du Département américain de l’énergie.

«Les résultats expliquent la controverse de longue date sur la question de savoir si l’eau réfrigérée se cristallise toujours avant de pouvoir être équilibrée. La réponse est non. « 

De nouvelles données obtenues en utilisant une sorte d’image d’arrêt de l’eau froide montrent qu’elle peut se condenser en une structure similaire à un liquide à haute densité.

Cette forme de densité plus élevée coexiste avec une structure de densité inférieure qui est plus conforme à la liaison typique attendue avec l’eau.

La proportion de liquide haute densité diminue rapidement à mesure que la température passe de 245 K (moins 138,15 degrés Celsius ou moins 18,7 degrés Fahrenheit) à 190 K, ce qui confirme les prévisions du modèle de mélange d’eau refroidie.

Le Dr Kimmel et ses collègues ont utilisé la spectroscopie infrarouge pour observer les molécules d’eau piégées dans une sorte d’arrêt lorsqu’une mince couche de glace est appliquée sur un laser, créant de l’eau liquide refroidie pendant quelques nanosecondes.

« L’observation clé est que tous les changements structurels étaient réversibles et reproductibles », a déclaré le premier auteur, Dr. Loni Kringle, stagiaire postdoctoral au Département des sciences physiques du Pacific Northwest National Laboratory du Département américain de l’énergie.

Selon l’équipe, cette recherche peut aider à expliquer le graupel, une pastille duveteuse qui tombe parfois lors des tempêtes froides.

Graupel se produit lorsqu’un flocon interagit avec de l’eau liquide refroidie dans la haute atmosphère.

«L’eau liquide de la haute atmosphère se refroidit profondément», a déclaré le co-auteur principal Dr. Bruce Kay, physicien chimiste du département des sciences physiques du Pacific Northwest National Laboratory du département américain de l’énergie.

«Lorsqu’il rencontre un flocon de neige, il gèle rapidement, puis tombe sur Terre dans les bonnes conditions. C’est vraiment le seul moment où la plupart des gens ressentent les effets de l’eau froide. « 

« Ces études peuvent également aider à comprendre comment l’eau liquide peut exister sur des planètes très froides – Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune – dans notre système solaire et au-delà », ont déclaré les chercheurs.

« La vapeur d’eau froide crée également de belles queues qui traînent derrière la comète. »

Les résultats ont été publiés dans la revue Science.

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Loni Kringle et d’autres. 2020. Transformations structurelles réversibles dans l’eau liquide refroidie de 135 à 245 K. Science 369 (6510): 1490-1492; doi: 10.1126 / science.abb7542