Les scientifiques cartographient le point de transition liquide-liquide insaisissable en utilisant un réseau neuronal profond

22 février 2025        caractéristique

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par Tejasri Gururaj                                               , Phys.org

Une nouvelle étude de Nature Physics a mis en lumière le point critique liquide-liquide longuement hypothétique où l'eau existe simultanément dans deux formes liquides distinctes, ouvrant de nouvelles possibilités pour une validation expérimentale.

L'eau est connue pour ses propriétés anormales—contrairement à la plupart des substances, l'eau est la plus dense à l'état liquide, et non solide. Cela entraîne des comportements uniques tels que la flottaison des glaces sur l'eau.

Une des nombreuses caractéristiques inhabituelles qui a suscité des décennies de recherche pour comprendre le comportement unique de l'eau, notamment dans le régime sur refroidi.

Cependant, l'étude de la transition de phase liquide-liquide (LLPT), qui est supposée se produire dans le régime sur-refroidi, a été confrontée à des défis que les chercheurs voulaient relever.

Phys.org a parlé aux coauteurs de l'étude, le professeur Francesco Sciortino de l'Université de Rome La Sapienza et le professeur Francesco Paesani de l'Université de Californie à San Diego, à propos de leur travail.

« L'eau est un liquide unique avec des propriétés que les scientifiques essaient de comprendre depuis des décennies », a expliqué le professeur Paesani.

« Une hypothèse de longue date suggère que dans des conditions extrêmes—plus précisément à très basses températures et hautes pressions—l'eau peut exister dans deux phases liquides distinctes : un liquide de haute densité et un liquide de basse densité », a continué le professeur Sciortino.

« Le point où ces deux phases deviennent indiscernables est appelé point critique liquide-liquide. Cependant, sa confirmation expérimentale est restée insaisissable en raison du défi d'empêcher l'eau de geler avant d'atteindre ces conditions », a ajouté le professeur Sciortino.

Lorsque l'eau pure est refroidie à -38°C, elle reste sous forme liquide malgré le fait qu'elle passe son point de congélation à 0°C. Cela est connu sous le nom d'état de sur-refroidissement.

En 1992, des chercheurs ont d'abord proposé que l'eau puisse connaître une transition de phase liquide-liquide (LLPT) en dessous du point de sur-refroidissement de -38°C, où elle existe sous forme de deux états ou phases liquides distincts.

Le professeur Sciortino a travaillé sur ce problème en 1992 en tant que post-doctorant à l'Université de Boston.

La difficulté découle de ce que les chercheurs appellent la 'zone de non-retour', une région dans le diagramme de phase de l'eau où l'eau liquide se cristallise généralement instantanément en glace avant que des mesures puissent être prises. Cela se produit en dessous du point critique de sur-refroidissement de -38°C.

L'incapacité à effectuer des mesures en temps réel a contraint les chercheurs à se fier largement aux simulations informatiques pour prédire le comportement de l'eau.

Des études antérieures ont donné des prédictions très variées pour l'emplacement du prétendu point critique liquide-liquide (LLCP), avec des pressions critiques estimées variant de 36 à 270 MPa et des températures critiques de -123°C à -23°C (soit 150 à 250 K).

La solution est venue sous la forme d'une conversation entre le professeur Sciortino et le professeur Paesani au sujet d'un potentiel de nombreux corps dirigé par les données développé par l'équipe du professeur Paesani, MB-pol.

Un mélange de curiosité et de scepticisme quant à savoir si MB-pol pouvait sonder rigoureusement la validité du scénario à deux liquides dans de l'eau fortement sur refroidie les a poussés à entreprendre cette recherche.

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« Malgré sa précision, MB-pol exige plus de puissance de calcul que les modèles empiriques. Pour surmonter cette limitation, Sigbjørn Bore, le troisième auteur de cet article, a développé un potentiel de réseau de neurones profond (DNN@MB-pol) formé sur les données de MB-pol », a expliqué le professeur Paesani, expliquant l'implication des réseaux de neurones dans leurs recherches.

Contrairement aux modèles d'eau préalables, cette approche est dérivée de la chimie quantique de première principe au niveau du couplage-cluster, considéré comme la norme de référence pour les interactions moléculaires.

En utilisant le modèle DNN@MB-pol, les chercheurs ont effectué des simulations dynamiques moléculaires de plusieurs microsecondes.

« Ces simulations sont cruciales pour étudier l'eau dans des états fortement sur refroidis car, à mesure que la température diminue, la diffusion moléculaire ralentit de façon spectaculaire. Ce ralentissement rend de plus en plus difficile pour le système d'atteindre un équilibre métastable, nécessitant des simulations exceptionnellement longues pour capturer la dynamique pertinente », a expliqué le professeur Paesani.

Les simulations ont été menées à 280 points d'état différents couvrant 20 températures (188 à 368 K ou -85°C à 95°C) et 14 pressions (0,1–131,7 MPa).

Toutes les simulations ont été menées avec un système de 256 molécules d'eau sous des conditions limites périodiques. Les simulations ont révélé des preuves directes de deux états liquides distincts avec des densités et des structures différentes. Lors de l'étude de l'eau à -85 °C (188 K), les chercheurs ont observé des fluctuations dramatiques de densité se produisant sur des échelles de temps microsecondes, avec l'eau passant spontanément entre des états de haute densité et de basse densité autour de 101,3 MPa. Ces observations ont confirmé l'existence d'une transition de phase du premier ordre entre deux formes liquides de l'eau, avec des barrières d'énergie libre qui augmentent lors du refroidissement, une signature claire de telles transitions. En tenant compte de l'écart systématique du modèle par rapport aux valeurs expérimentales, l'équipe a estimé le point critique réel de l'eau à environ 198 K (-75 °C) et 126,7 MPa. Le point critique identifié dans cette recherche apparaît à une pression plus faible que de nombreuses prédictions antérieures, suggérant qu'il pourrait être expérimentalement accessible. Les chercheurs ont également été en mesure de construire un diagramme de phase complet montrant la courbe de coexistence liquide-liquide. "Nous avons une grande confiance en notre estimation du point critique liquide-liquide car elle est développée à partir de la chimie quantique de premier principe au niveau du couplage-cluster, la référence en matière de calculs de structure électronique", a déclaré le Prof. Sciortino. Les résultats fournissent les preuves computationnelles les plus solides à ce jour de l'existence du LLPT dans l'eau, aidant à résoudre une question scientifique qui persiste depuis plus de 30 ans. Les chercheurs estiment que les nanogouttelettes d'eau - des gouttelettes d'eau de quelques nanomètres de large existant dans des espaces confinés ou suspendues dans un milieu - pourraient valider expérimentalement les résultats du LLPT. "Pour des nanogouttelettes de quelques nanomètres de diamètre, la pression interne pourrait atteindre des valeurs comparables à la pression critique liquide-liquide (~1 250 atm). Cela suggère que des nanogouttelettes soigneusement contrôlées pourraient offrir une voie expérimentale pour sonder le LLCP", a déclaré le Prof. Paesani. Le Prof. Sciortino a ajouté : "Les expériences de diffusion des neutrons et des rayons X pourraient être utilisées pour détecter les signatures structurelles des deux états liquides à l'intérieur de ces gouttelettes confinées." "Plus précisément, les techniques de diffusion pourraient révéler des fluctuations de densité et des corrélations caractéristiques des phénomènes critiques. De plus, la spectroscopie résolue dans le temps pourrait aider à capturer la dynamique d'interconversion entre les deux phases liquides." La découverte du LLPT a de larges répercussions sur plusieurs domaines scientifiques. La compréhension du comportement à deux états de l'eau pourrait améliorer la modélisation du climat et la prédiction météorologique, fournir des informations sur les océans des lunes et planètes lointaines, enrichir notre compréhension des processus cellulaires entraînés par la séparation de phases et faire progresser les technologies de stockage d'énergie et de traitement de l'eau. Pour plus d'informations : F. Sciortino et al, Contraintes sur l'emplacement du point critique liquide-liquide dans l'eau, Nature Physics (2025). DOI : 10.1038/s41567-024-02761-0. Informations sur la revue : Nature Physics. © 2025 Science X Network.