Eau légère, eau lourde, et solutions aqueuses de chlorure de sodium sous conditions extremes pour mieux comprendre les anomalies et propriétés structurelles de l’eau – H2D2OX

Pour porter l'eau et les solutions aqueuses à pression négative, nous synthétiserons des inclusions fluides dans le quartz. En les chauffant, le liquide occupe toute l'inclusion, et lors du refroidissement à volume constant, sa pression devient négative. La microspectroscopie donne accès aux propriétés thermodynamiques et vibrationnelles.
Pour porter l'eau et les solutions aqueuses à des pressions dépassant 10000 fois la pression atmosphérique, nous utilisons des cellules à enclumes de diamant. Le mouvement Brownien de billes submicroniques en suspension nous permet de mesurer la viscosité de cisaillement, tandis que la spectroscopie Brillouin donne la viscosité de compression. La spectroscopie Raman donne des informations vibrationnelles.

Nous avons élaboré un modèle théorique minimal de liquide à deux états permettant de rendre compte des différents cas possibles de liquides anormaux. Les premières mesures de viscosité et d'atténuation du son ont été obtenues sur l'eau pure jusqu'à plus de 1.4 GPa.

Le modèle théorique minimal pourra être utilisé pour décrire d'autres fluides que l'eau présentant des anomalies similaires. La technique de mesure de viscosité va pouvoir être étendue à plus haute température et à d'autres fluides.

Publication sur le modèle théorique minimal :
F. Caupin and M.A. Anisimov, Minimal Microscopic Model for Liquid Polyamorphism and Waterlike Anomalies
Phys. Rev. Lett. 127, 185701 (2021).
doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.185701
version acceptée disponible gratuitement sur arxiv.org/abs/2104.08117

L'eau et les solutions aqueuses sont omniprésentes et sont impliquées dans d'innombrables phénomènes naturels et processus technologiques. L’eau se distingue de tous les liquides par ses nombreuses anomalies physiques liées à son réseau complexe de liaisons hydrogène, mais elle n’est pas totalement comprise. L'objectif de notre projet est de combiner les efforts de chercheurs en physique et géosciences pour acquérir de nouvelles connaissances sur l'eau et les solutions aqueuses dans des conditions extrêmes.
D'une part, nous explorerons l'état liquide étiré, à des pressions négatives. Le liquide est alors métastable vis-à-vis de la vapeur et une bulle peut se nucléer à tout moment, ramenant le système à l'équilibre. Mais de petites gouttelettes de liquide piégées dans une matrice de quartz peuvent atteindre plus de -100 MPa à l'état métastable et peuvent être étudiées avec des photons. Nous utiliserons la spectroscopie Brillouin, Raman visible et Raman à rayons X pour élucider la thermodynamique et la structure moléculaire de l'eau étirée. Les expériences seront effectuées non seulement sur de l'eau ordinaire étirée, mais également sur de l'eau lourde étirée et des solutions de NaCl, car elles devraient permettre d'accéder à des caractéristiques spécifiques, qui ne peuvent pas être trouvées dans de l'eau ordinaire. Plus précisément, la ligne des maxima de densité de l’eau lourde devrait atteindre une température maximale à une pression négative accessible à l’expérimentation, tandis que la ligne des maxima de compressibilité récemment trouvée dans de l’eau pure à une pression négative devrait devenir plus prononcée avec une faible concentration de sel. Confirmer ou infirmer ces propriétés aura de profondes implications sur notre compréhension de l'eau et de son diagramme de phase, y compris la possibilité surprenante (et débattue) du polymorphisme liquide – l'existence de l'eau sous deux phases liquides distinctes.
D'autre part, nous étudierons l'état du fluide stable dans des conditions de pression et de température élevées. Une propriété clé de l'eau dans les processus géologiques (par exemple, les zones de subduction et l'activité hydrothermale) est la viscosité. Pourtant, de manière surprenante, les données sont rares pour l’eau pure à haute pression et absentes pour l’eau salée. De plus, la technique de mesure actuelle (viscosimètre à bille roulante à l'intérieur de la petite chambre d'une cellule à enclume de diamant) présente des limites et peut souffrir de biais. Nous allons implémenter une nouvelle technique basée sur le mouvement brownien des sphères de ca. 100 nm de diamètre pour contourner ces limitations. Ces résultats seront directement liés à la structure moléculaire par spectroscopie optique Raman. Pour approfondir nos connaissances, nous utiliserons la spectroscopie de diffusion Raman aux rayons X, en particulier pour traiter la structure moins connue des solutions d’eau lourde et de NaCl dans des conditions proches du point critique liquide-vapeur, en évaluant l’influence sur l’hydratation des ions.
Nous combinons nos expertises complémentaires pour étudier l’eau, l’eau lourde et la solution aqueuse de NaCl dans des conditions extrêmes, dans les régimes étirés, supercritiques et à haute densité, ce qui permet de mieux comprendre la structure microscopique des fluides et leur relation avec leurs propriétés macroscopiques.