💧 L'eau serait constituée de deux liquides en un seul

Tout le monde sait que l'eau a un comportement inhabituel: elle devient moins dense en gelant, ce qui permet à la glace de flotter. Mais cette singularité n'est que la partie visible d'un phénomène bien plus vaste.

En réalité, l'eau présente des dizaines de propriétés surprenantes, comme une capacité thermique anormalement élevée par rapport à des liquides similaires. Depuis des décennies, les scientifiques pensent que ces anomalies pourraient avoir une origine commune: à l'échelle moléculaire, l'eau serait en fait deux liquides distincts qui s'interconvertissent en permanence.


Cette hypothèse, dite "à deux états", postule l'existence d'une forme dense et d'une forme moins dense de l'eau, qui coexistent et se convertissent l'une en l'autre. Prouver son existence est extrêmement difficile, car la transformation est si rapide et subtile qu'elle échappe aux mesures classiques. Mais une équipe de chercheurs, grâce à l'intelligence artificielle, vient de franchir une étape importante en apportant la première preuve moléculaire directe de ce phénomène, comme ils le rapportent dans Nature Physics.

Pour y parvenir, l'équipe dirigée par Xiao Cheng Zeng a eu recours à une approche innovante: l'apprentissage profond non supervisé. Au lieu de chercher des motifs définis à l'avance, l'IA a été entraînée à analyser la dynamique moléculaire impliquant des centaines de milliers de molécules d'eau. En extrayant les variables les plus pertinentes, elle a identifié comment une molécule d'eau passe d'une structure dense à une structure lâche, et inversement. Cette méthode a permis de cartographier le processus en un temps record, là où les approches traditionnelles auraient nécessité des années.

Les résultats révèlent que la conversion entre les deux formes emprunte deux chemins distincts. Le plus souvent, elle suit une trajectoire avec une seule barrière d'énergie à franchir. Mais près de la frontière où les deux états coexistent – un seuil similaire à celui entre la glace et l'eau liquide – les molécules peuvent emprunter un chemin plus long, qui comporte trois barrières successives. Cette découverte explique pourquoi l'eau semble changer de comportement dans des conditions extrêmes, par exemple lorsqu'elle est surfondue.

Ces résultats ne se contentent pas de valider une hypothèse vieille de trente ans. Ils pourraient aussi aider à comprendre de nombreuses propriétés de l'eau, comme sa densité anormale, sa viscosité ou sa capacité thermique. En comprenant mieux la structure moléculaire de l'eau, les chercheurs espèrent à terme améliorer la modélisation des interactions avec les sels, les protéines et les médicaments en solution, ce qui aurait des applications en pharmacie et en biologie.

Mais il reste du chemin. Xiao Cheng Zeng et son équipe développent actuellement un modèle d'apprentissage automatique plus performant pour confirmer ces résultats. La prochaine étape sera de les valider expérimentalement, ce qui nécessite des techniques de mesure extrêmement sensibles. Si ces travaux aboutissent, ils pourraient bien lever le voile sur l'une des plus grandes énigmes de la physique: pourquoi l'eau est-elle si singulière ?