Depuis des années, les scientifiques soupçonnent qu’au niveau moléculaire, l’eau est deux liquides différents – un plus dense et un moins dense – qui changent constamment de place. Il a été difficile de trouver de véritables preuves moléculaires de cette transformation microscopique. Mais maintenant, avec l’aide de intelligence artificielleles chercheurs disent l’avoir enfin trouvé.
« C’est difficile à imaginer : il n’y a qu’une seule eau, n’est-ce pas ? » dit Xiao Cheng Zengphysico-chimiste à la City University de Hong Kong et co-auteur de la nouvelle étude, a déclaré à Live Science tout en tenant une bouteille d’eau en l’air. Cette énigme l’a amené à fouiller dans la littérature scientifique, où il a trouvé l’explication possible : l’hypothèse des deux États. « Cela a retenu mon attention. Nous disposons de documents pour en parler, mais aucune preuve. »
Les résultats, publiés le 4 juin dans la revue Physique naturellepourrait non seulement prouver que ce changement moléculaire tant recherché est réel, mais aussi aider à expliquer des dizaines de comportements étranges de l’eau.
La plupart des liquides deviennent plus denses en refroidissant, mais l’eau se comporte différemment ; elle devient plus dense jusqu’à environ 4 degrés Celsius, puis commence à se dilater, raison pour laquelle la glace flotte. L’eau résiste également mieux aux changements de température que les liquides similaires et a une viscosité qui diminue sous certaines pressions. Les scientifiques ont documenté diverses anomalies liées à l’eau et soupçonnent qu’elles pourraient être liées.
Le modèle à deux États tente de constituer cette explication unificatrice.
Une intuition vieille de 30 ans
Zeng étudie l’eau depuis ses années postdoctorales à la fin des années 1990, lorsqu’il travaillait sur la congélation des liquides. L’hypothèse des deux États elle-même est apparue sur son radar plus tard, vers 2006, lorsqu’il l’a rencontrée pour la première fois lors de conférences scientifiques. Mais pendant des années, il a mis cette question de côté, la jugeant trop difficile à aborder directement. Cela a changé vers 2016, lorsque les chercheurs ont commencé à rapporter des preuves expérimentales selon lesquelles l’eau surfondue pouvait se diviser en formes distinctes de haute et de faible densité.
Il y a environ deux ans et demi, Zeng a confié le problème à Liwen Lichercheur postdoctoral dans son laboratoire. Plutôt que de répéter les approches conventionnelles avec lesquelles d’autres groupes avaient déjà eu du mal, Li a suggéré l’utilisation de « l’apprentissage profond non supervisé » – une IA formée pour repérer des modèles dans les données sans qu’on lui dise quoi rechercher.
« L’IA est donc obligée d’apprendre, d’utiliser ses connaissances pour créer et explorer », a déclaré Zeng à Live Science.
L’équipe a effectué des simulations massives de dynamique moléculaire, en utilisant le GROMACS paquet de simulation. Ils ont suivi la façon dont des centaines de milliers de molécules d’eau se déplaçaient et interagissaient et ont généré des dizaines de millions de points de données.
« Traditionnellement, il faut peut-être beaucoup d’étudiants pour comprendre cela. (…) Avec les ordinateurs et l’IA, cela a pris (Li) peut-être un an et demi », a déclaré Zeng. Sans l’IA, estime-t-il, la même analyse aurait pu prendre près d’une décennie.
L’IA est revenue avec des « coordonnées de réaction » – un petit nombre de variables, extraites de tout ce mouvement moléculaire, qui décrivent exactement comment la disposition locale d’une molécule d’eau passe de la structure la plus dense à la structure la plus lâche et vice-versa. Ils ont tracé le comportement du système le long de ces coordonnées pour voir la forme de la conversion. Cela incluait le nombre et l’emplacement des barrières énergétiques, ou points de selle, que les molécules doivent franchir pour effectuer le changement.
Deux chemins jusqu’à la montagne
L’équipe a constaté que le chemin emprunté par les deux structures pour se convertir change en fonction de certaines conditions. La plupart du temps, le changement se produit le long de ce que les chercheurs appellent une voie « semi-boucle », avec une seule barrière énergétique à franchir.
Mais près de la frontière entre l’eau à haute densité et l’eau à faible densité – le même type de seuil où la glace et l’eau liquide coexistent à 32 degrés Fahrenheit (zéro degré Celsius) – les molécules peuvent emprunter un chemin plus détourné en « boucle complète », avec trois barrières distinctes au lieu d’une.
Zeng l’a comparé à la randonnée sur une montagne coupée en deux, avec une pente douce d’un côté et une falaise abrupte de l’autre. La plupart des randonneurs restent sur la pente ; c’est la demi-boucle. Mais près de la limite où les deux moitiés se rejoignent, c’est comme si la montagne redevenait entière, permettant aux randonneurs de faire le tour du sommet dans son intégralité. C’est la boucle complète.
Zeng et son équipe construisent actuellement un modèle d’apprentissage automatique plus rigoureux pour confirmer le résultat. Ils espèrent éventuellement le relier à des propriétés telles que la densité, la viscosité et la température.
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Confirmer la structure dans de l’eau réelle ne sera pas simple. Zeng a déclaré que cela nécessiterait probablement des techniques expérimentales nouvelles et sensibles – celles développées par des laboratoires comme Laboratoire national du nord-ouest du Pacifiquequi avait précédemment trouvé des preuves spectroscopiques indirectes du comportement à deux états de l’eau.
« Une fois que nous aurons ceci… confirmé par l’expérience », a-t-il déclaré, « ce modèle pourra être utilisé pour (comprendre) comment l’eau interagit avec la nature. »
Étant donné que la plupart des processus biologiques et pharmaceutiques se produisent dans l’eau, une meilleure compréhension de la structure moléculaire de l’eau pourrait faire la lumière sur la façon dont les sels dissous, les protéines et les molécules médicamenteuses interagissent en solution. « Ces interactions sont vitales pour les médicaments injectables et le fonctionnement cellulaire », a-t-il noté, mais l’application de ces connaissances à des utilisations pratiques est encore loin d’être terminée.
