Dans le blog précédent, la position a été défendue selon laquelle un modèle d'eau utilisable est le mieux aussi simple que possible. Les modèles récemment développés voient l'eau comme un mélange hétérogène, mais soulèvent plus de questions qu'ils n'apportent de réponses. Dans ma recherche de plus de simplicité je suis tombé sur le modèle de Narten, Danford et Levy (développé dans les années 60) qui a complètement changé ma vision de l'eau.
Leur idée de base ne pouvait pas être plus simple. Selon Narten, Danford et Levy, l'eau liquide a simplement la structure de la glace. Or la structure de la glace en elle-même est miraculeuse. Grâce aux liaisons hydrogène, les molécules d'eau sont disposées dans un réseau cristallin hexagonal dont les symétries sont visibles dans la beauté des flocons de neige (voir Fig.1). Il est également spécial que la glace ait une structure cristalline très ouverte, les molécules du réseau sont assez éloignées les unes des autres. En conséquence, il y a également de la place pour des molécules supplémentaires entre ces molécules de réseau. En théorie, par exemple, une grille de glace peut cacher une molécule d'eau supplémentaire pour deux molécules d'eau. Ces molécules sont appelées molécules interstitielles, des molécules d'eau qui se trouvent entre le réseau (voir Fig. 2).
Dans la vraie glace, le nombre de molécules interstitielles est bien sûr négligeable (environ 3 par million de molécules de réseau), mais dans l'eau, les molécules d'eau interstitielles peuvent expliquer la plus grande densité. S'il y a 1 molécule d'eau supplémentaire interstitielle pour 10 molécules d'eau, alors cette étrange propriété s'explique de manière simple. Les molécules d'eau interstitielles ne peuvent pas non plus se lier aux molécules du réseau (qui ont déjà épuisé toutes leurs liaisons hydrogène). Pour cette raison, le petit nombre de liaisons hydrogène rompues dans l'eau liquide est simplement le résultat du modèle. Cela semble trop beau pour être vrai.
Cette idée était si évidente qu'il est difficile de l'attribuer à qui que ce soit. Mais Narten, Danford et Levy ont été les premiers à le tester à fond. C'est comme ça en science, avoir une bonne idée ne suffit pas. L'idée doit également être en accord étroit avec les résultats expérimentaux. Narten, Danford et Levy ont été les premiers à avoir mesuré avec précision les spectres de rayons X de l'eau pure, et les rayons X fournissent des informations sur la microstructure des substances. Les chercheurs ont comparé les différents modèles d'eau en vogue dans les années 1960 avec leurs données (voir Fig. 3) et leurs résultats sont sans appel. Seule une grille de glace avec des interstitiels correspondait bien. A la lecture de leur premier énoncé scientifique (Communication à l'éditeur 1962) force est de constater qu'ils ont fait une véritable percée. Ils veulent faire comprendre au monde scientifique qu'ils sont sur quelque chose de grand avant que leur article complet ne sorte (pas avant 1967). Narten, Danford et Levy avaient résolu le problème de l'eau.
Mais l'histoire ne se poursuit pas comme prévu. Seuls quelques groupes ont réussi à appliquer leur modèle de glace interstitielle et aucune nouvelle percée n'a émergé. D'autres groupes ont montré qu'il existait également des modèles de mélange correspondant aux données de rayons X. Le modèle de glace interstitielle est devenu le énième modèle de la gamme et est aujourd'hui presque oublié.
Il m'a fallu un certain temps pour comprendre pourquoi le modèle s'était écrasé. Il y avait quelques problèmes cachés. Pour obtenir les bonnes données, Narten et co ont dû déformer légèrement la grille de glace (cela a rendu la grille anisotrope, pas la même dans toutes les directions). C'était étrange car il n'y avait aucune raison physique à cela. Mais leur deuxième problème était beaucoup plus fondamental. Leur modèle ne s'entendait pas non plus avec la fluidité de l'eau. Narten, Danford et Levy ont conclu que la liste ne contient presque pas de places libres. Des espaces libres sont nécessaires pour rendre la grille de glace mobile. Ils avaient donc une structure d'eau aussi solide que de la glace. Les interstitiels mobiles ne pouvaient pas faire grand-chose à ce sujet.
Heureusement, je ne suis pas parti des résultats de Narten, Danford et Levy. J'ai juste utilisé leur idée de base pour expliquer une propriété électrique de l'eau, à savoir la constante diélectrique de l'eau (une propriété qui indique à quel point les molécules d'eau s'alignent dans un champ électrique). J'ai donc conçu ma propre version du modèle et mes résultats étaient fondamentalement différents. Il n'y avait aucune trace d'anisotropie et ma structure en treillis contenait un nombre important de sites vides (voir Fig. 4). Ce n'est qu'en comparant très strictement les modèles que j'ai eu mon moment aha. Narten, Danford et Levy avaient émis l'hypothèse que les interstitiels étaient situés au centre des cavités du treillis. En soi, ce n'était qu'une astuce pour ne pas rendre les calculs trop difficiles. Cependant, j'ai pu montrer que cette hypothèse était fausse. Les interstitiels adhèrent légèrement à la structure du treillis (via les soi-disant «forces de Van de Waals»), de sorte qu'ils ne sont pas situés au centre des cavités. Si Narten et co abandonnent cette hypothèse, l'anisotropie disparaît également et les places vacantes dans le roster deviennent possibles.
Quand je regarde mon processus de loin, il est frappant de voir à quel point ma croyance obstinée dans des idées simples m'a guidé à travers le labyrinthe. Mes résultats font reculer l'horloge de 50 ans. Le modèle de glace interstitielle fait peau neuve et la communauté scientifique doit le repenser. Le problème est que la même communauté s'est maintenant spécialisée dans les modèles de mélanges complexes. Nous allons avoir besoin de beaucoup de persuasion pour les faire avancer. Heureusement, nous avons quelques armes puissantes à notre disposition :1. 'une idée simple' (l'eau a une grille de glace intacte avec des interstitiels supplémentaires et des places de grille vacantes) et 2. 'pas de pression temporelle'. Grâce aux deux, j'ai pu expliquer un certain nombre d'autres propriétés électromagnétiques de l'eau en plus de la constante diélectrique. Il n'y a pas de retour en arrière.
