Des découvertes super intéressantes publiées dans Science

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La découverte de la façon dont l’eau surfondue passe d’un liquide à haute densité à un liquide à basse densité est une question « scientifique élémentaire » pour l’instant, mais elle a des incidences de grande envergure sur les études dans différents domaines – de la biologie cellulaire jusqu’à l’astronomie.

« L’eau joue un rôle fondamental dans différents domaines scientifiques, technologiques et industriels, » déclare Peter Poole, professeur de physique à l’Université St. Francis Xavier, qui a collaboré à ce projet avec une équipe de 21 scientifiques dans cinq pays différents. Son travail, en compagnie de son collègue Nicolas Giovambattista, professeur agrégé à la City University de New York, consistait à recréer les conditions environnementales lors de simulations d’eau générées par ordinateur pour démontrer que les données recueillies grâce à ces expériences étaient conformes à la transition de phase prévue.

« L’existence de la transition de la phase liquide de basse densité à haute densité dans une eau surfondue a des incidences profondes sur la façon dont nous comprenons plusieurs procédés importants, » déclare Poole dans son étude qui vient d’être publiée dans la prestigieuse revue Science. L’eau surfondue joue un rôle de premier plan dans la formation des nuages et la pluie et exerce une influence majeure sur le climat terrestre. Il est primordial, à plusieurs niveaux de la biologie cellulaire, de comprendre la structure moléculaire de l’eau et la façon dont elle peut évoluer. Il est également essentiel de clarifier le comportement de l’eau dans des conditions de basse température afin de comprendre notre système solaire, où l’eau existe en grandes quantités dans les comètes et sur les planètes lointaines. »

En expliquant les principes scientifiques derrière ces constatations, Poole rajoute que l’eau est « répandue et importante, malgré qu’elle soit également bizarre ».

Contrairement aux autres liquides communs, comme l’huile ou l’alcool, l’eau présente certaines propriétés étranges. Par exemple, la glace flotte sur l’eau, mais la plupart des autres solides coulent sous leur forme liquide. À moins de 4°C, l’eau se dilate lorsqu’on la refroidit, alors que la plupart des autres liquides se contractent.

Comme Poole l’a déclaré, « ce qui est étrange le devient encore plus » lorsque l’eau est surfondue, ce qui signifie qu’elle se situe en dessous du point de congélation. L’eau profondément surfondue peut geler pour se transformer en glace très rapidement, au point où les expériences normales ne permettent plus de mesurer les propriétés du liquide.

« Les propriétés étranges de l’eau laissent les scientifiques perplexes depuis plus d’un siècle, » affirme Poole. « En 1992, je faisais partie, à l’Université de Boston, d’une équipe chargée d’étudier ce problème en procédant à des simulations par ordinateur. [Les ordinateurs] nous ont permis de mesurer les propriétés de l’eau profondément surfondue plus rapidement que toute expérience à l’époque. Et nous avons découvert des choses vraiment étonnantes. Nous avons constaté que si la température est suffisamment basse, il existe deux genres d’eau liquide, soit un liquide à basse densité (LBD) et un liquide à haute densité (LHD). Le passage d’un LBD à un LHD à basse température représente une ‘transition de phase’ soudaine et dramatique. Nous avons démontré que l’existence de cette transition de phase nous permet d’expliquer de manière simple et unifiée toutes les propriétés inhabituelles de l’eau. »

Depuis ce temps, les scientifiques s’efforcent à mettre cette théorie à l’essai et de trouver des preuves de cette transition de phase. L’article de la revue Science présente ses constatations de l’eau « prise sur le fait », comme le décrit Poole, alors qu’elle passe d’un LBD à un LHD.

Poole déclare que les expériences en tant que telles ont eu pour effet de soumettre l’eau à un « procédé passablement violent ». Des scientifiques en Suède ont envoyé des échantillons d’eau ultra-pure gelée dans un porte-échantillon conçu tout spécialement qu’on a ensuite placé dans un contenant cryogénique en Corée du Sud. Dans ce pays, un des lasers à rayon C les plus puissants au monde a transmis des impulsions d’une durée inférieure à 50 femtosecondes (un million d’un milliardième de seconde) et ils ont obtenu des clichés précis de la structure moléculaire du liquide avant que la glace ne puisse se former.

Poole déclare qu’il était palpitant de prendre part à cet « effort expérimental massif ». En plus de présenter ce que les expériences physiques avaient démontré, ses simulations ont également aidé à faire la lumière sur la façon dont l’eau réagit aux changements ultrarapides de température et de pression.

Poole est parvenu à conserver sa partie du travail au Canada grâce aux services d’ACENET et de Calcul Canada.

« Les ordinateurs scientifiques de première classe dont nous disposons au Canada ont joué un rôle crucial afin que nous puissions participer à cet effort international et nous ont fourni la « puissance » de calcul considérable dont nous avions besoin pour que l’ensemble du projet soit concluant, » a-t-il affirmé.

Son collègue Giovambattista travaille aux États-Unis, mais les deux n’ont même jamais pris la peine de regarder du côté américain, puisqu’ils savaient que la capacité canadienne en calcul informatique de pointe fait partie des meilleurs au monde.

« C’était simplement plus facile de s’adresser à ACENET et à Calcul Canada, alors que [Giovambattista] était vraiment ravi du système d’ACENET, » rajoute Poole. « Nous avons obtenu notre propre compte en moins d’une journée et il fonctionnait en moins d’un après-midi. Tout s’est déroulé si facilement. ACENET nous a permis de contribuer immédiatement au projet et la sensation était incroyable, sachant que nous pouvions compter sur la ressource. »

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