Interprétation du comportement inhabituel de H2O et D2O à basse température : Tests d'un modèle de percolation

Le comportement inhabituel de l'eau liquide à basse température est interprété à l'aide d'un modèle simple basé sur des concepts de connectivité issus de la théorie de la percolation sur sites corrélés. L'accent est mis sur l'examen des implications physiques du réseau continu de liaisons hydrogène (ou ''gel'') formé par les molécules d'eau. Chaque molécule d'eau A est assignée à l'une des cinq espèces en fonction du nombre de ''liaisons intactes'' (le nombre d'autres molécules dont l'énergie d'interaction avec A est plus forte qu'un certain seuil VHB). Il est démontré que dans le modèle actuel, les positions spatiales des diverses espèces ne sont pas distribuées au hasard mais sont plutôt corrélées. En particulier, on constate que le réseau infini de liaisons hydrogène contient de minuscules ''patchs'' de molécules à quatre liaisons. Des prédictions bien définies basées sur la présence putative de ces petits patchs sont développées. En particulier, nous prédisons la dépendance détaillée par rapport à (a) la température, (b) la dilution avec l'isotope D2O, (c) la pression hydrostatique supérieure à celle de l'atmosphère, et (d) les ''impuretés rompantes de patch'' — pour quatre fonctions de réponse séparées, (i) la compressibilité isotherme KT, (ii) la chaleur spécifique à pression constante CP, (iii) la chaleur spécifique à volume constant CV, et (iv) l'expansivité thermique αP, ainsi que pour des propriétés dynamiques telles que (v) les coefficients de transport d'auto-diffusion Ds et de viscosité de cisaillement η, (vi) le temps de relaxation rotationnelle caractéristique τch, et (vii) la température de singularité d'Angell Ts. La dépendance observée expérimentalement de ces sept quantités par rapport aux quatre paramètres (a)–(d) concorde dans tous les cas avec le comportement prédit. Le comportement paradoxal associé à l'absence de transition vitreuse dans l'eau liquide pure est également résolu. Enfin, nous proposons certains expériences et simulations informatiques — dont certaines sont en cours — conçues pour mieux tester le modèle de percolation proposé que ce qui est actuellement possible en utilisant les informations disponibles.