Que se passerait-il si l'eau, ce fameux liquide omniprésent de formule H2O, devenait soudain «normale»?

Réponse: nous ne serions pas là pour en discuter.

L'eau est «intrinsèquement bizarre», dit Bernard Cabane, de l'ESPCI (Ecole supérieure de Physique et de Chimie industrielles de Paris), et ce n'est pas parce que nous baignons dedans (et que nous en sommes faits) que ses anomalies nous sautent aux yeux. Les propriétés de ce liquide sont à ce point extravagantes que, dans le cadre de l'Année mondiale de la Physique, le CNRS vient de classer les «mystères de l'eau» en numéro un au hit-parade des «dix plus grandes énigmes de la physique». Avant même les paradoxes de la mécanique quantique, l'absence incompréhensible de l'antimatière, ou le secret de la masse manquante de l'Univers.

Par exemple si, comme tous les autres corps, l'eau se contractait en refroidissant, alors les glaçons tomberaient au fond de votre verre, et - plus grave - les icebergs sombreraient au fond de la mer. Résultat, selon Bernard Cabane: «Aucune banquise n'isolerait thermiquement les régions arctiques, et la production de glace continuerait jusqu'à congélation complète des océans.» Si l'eau ne manifestait pas une étrange capacité à d'autant plus dissoudre les gaz qu'elle est froide, alors les poissons ne pourraient pas respirer... et il n'y aurait donc pas de poissons. Mieux, si H2O se conformait aux lois générales, que respectent tous ses homologues de forme H2X, alors la glace devrait fondre à -110°C (au lieu de 0°), et le liquide bouillir dès -80°C (au lieu de +100°). Elle ne devrait donc exister sur Terre que sous sa forme gazeuse de vapeur d'eau. Ce qui rendrait évidemment impossible l'existence de toute cellule vivante.

«On ne sait pas ce qui, à notre échelle, fait de l'eau un liquide ordinaire, résume Yves Maréchal, du département de recherche fondamentale sur la matière condensée au CEA. Ceci malgré la prolifération, dans la littérature scientifique, d'innombrables articles souvent contradictoires.» Le sujet est rendu plus compliqué encore par le fait que l'eau très pure peut être maintenue à l'état liquide jusqu'à -42°C, et même y rester jusqu'à +220°C, donc très au-dessus de sa température d'ébullition. Des caprices qui ne constituent pas une simple curiosité de laboratoire: au sein des nuages, l'eau très froide en «surfusion» joue un rôle crucial dans la machinerie météo.

Pour tenter malgré tout de garder une vision claire comme... l'eau, Bernard Cabane ramène toutes ces bizarreries à trois propriétés uniques des molécules H2O: «Primo, elles sont minuscules. Secundo, elles sont électriquement très polarisées, avec les charges négatives rassemblées d'un côté, les charges positives de l'autre. Enfin l'angle H-O-H est quasiment tétraédrique: les molécules peuvent s'associer selon un motif qui préserve beaucoup d'espaces vides.» Ceci d'autant plus que l'eau est froide, les molécules s'associant alors en un Lego de tétraèdres de plus en plus parfait. D'où l'explication d'un premier mystère: la glace est plus légère que l'eau parce que, cristallisée en tétraèdres réguliers, elle est alors... pleine de trous. D'autre part, ses propriétés électriques permettent à l'eau de dissocier donc de dissoudre d'innombrables substances, dont le sel et beaucoup d'autres molécules ainsi mises en contact étroit - d'où toute la chimie de la Vie, rendue possible par son seul truchement. Enfin, l'assemblage des molécules d'eau entre elles réclame beaucoup d'énergie pour se rompre, ce qui explique l'exceptionnelle capacité calorifique de ce liquide miracle, qui peut absorber ou restituer de grandes quantités de chaleur, et notamment «climatiser» - en plus de la planète et de nos logements - les organismes vivants qui n'existeraient pas sans lui.

Les mystères de l'eau s'expliquent ainsi en partie. Mais on est loin d'avoir tout compris. On ne sait pas pourquoi il est impossible de transformer l'eau liquide en glace par simple compression - un comportement «hautement ésotérique», selon Yves Maréchal. On ne voit pas d'où elle tire son extraordinaire fluidité, compte tenu de la propension de ses molécules à s'agglutiner entre elles. On ignore à peu près tout des divers changements d'état que connaît la glace aux très basses températures, au point que José Teixeira, du Laboratoire Léon-Brillouin (CNRS-CEA à Saclay), se demande si... «l'eau n'est pas schizophrène». Au total, aucun modèle théorique ne permet de rendre compte à la fois de toutes ces propriétés étranges manifestées par l'eau, le seul corps qui, à la surface de la Terre, existe à l'état naturel sous les trois formes (solide, liquide et vapeur). On a pourtant un urgent besoin d'en savoir davantage, car H2O intervient dans tous les domaines de l'activité humaine. La chimie, la pharmacie, la cosmétique voudraient bien remplacer par de l'eau la plupart des solvants toxiques dont elles font usage. La prévision des avalanches serait facilitée si l'on connaissait mieux les processus de recristallisation des couches de neige sous l'effet de la pression et de la température. Une meilleure connaissance de la mini-molécule vitale déboucherait sur des procédés économiques de dessalement de l'eau de mer. Sur la réduction de volume des boues encombrantes issues des stations d'épuration. Sur des émulsifiants permettant une complète extraction du pétrole. Bref, avec cette énigme numéro un de la physique, les chercheurs ont de l'eau sur la planche.