Lorsque l’eau passe de la phase vapeur à la phase liquide dite "condensée", sa description physique gagne en complexité. En effet la distance typique dans cette phase étant de l’ordre de l’angstrom [1], les interactions entre les molécules ne sont absolument pas négligeables. En particulier, des liaisons faibles peuvent se faire entre plusieurs molécules d’eau pour former des agrégats moléculaires souvent notés (H2O)n où n représente le nombre de molécules impliquées dans l’agrégat. Une des liaisons les plus courantes est la liaison hydrogène [2]

Discriminer les différents mécanismes de combinaisons et recombinaisons est crucial pour bien décrire les propriétés chimiques d’un solvant tel que l’eau. Cela peut permettre de connaitre la composition des nuages dans les atmosphères lointaines par exemple ou à mieux appréhender l’impact physiologique lors de l’irradiation d’un tissu biologique.

Jusqu’à présent, lorsqu’on excitait une molécule (H2O)2 liée via une liaison hydrogène on savait que l’ensemble de l’excitation du cortège électronique conduisait à une instabilité du proton H+ participant à la liaison pour que l’ensemble de la molécule se scinde en un ion H3O+ et un ion HO- , réaction pas si surprenante que ça pour qui a fait un petit peu de chimie au lycée. Or, une équipe internationale de physiciens vient de rapporter dans la prestigieuse revue Nature Physics avoir découvert une autre voie dite de désintégration (ou décomposition) pour une telle molécule faiblement liée. En effet, si l’excitation de la molécule (H2O)2 est telle qu’elle permet d’ioniser seulement une des deux molécules d’eau du complexe, alors l’energie en excès stockée momentanément sur la molécule ionisée va être transférée à sa molécule d’eau partenaire via la liaison hydrogène. Ce transfert d’énergie conduit alors à une ionisation de la deuxième molécule d’eau suivie de la rupture de la liaison hydrogène. La molécule (H2O)2 ionisée a donc donné 2 ions H2O+ plus un électron "libre" et ceci en quelques femtosecondes [3] ! On remarque que cette désintégration ne conduit jamais à la génération d’un ion H3O+ avec un ion HO+ comme on aurait pu s’y attendre. L’explication proposée par les physiciens est simple : la répulsion Coulombienne entre les deux molécules ionisées du complexe est telle qu’un transfert de proton n’a pas le temps de s’opérer avant que la liaison ne soit rompue.

Du point de vue de la biophysique des radiations cette découverte est capitale. En effet, l’électron de la deuxième ionisation est très peu energétique, de l’ordre de quelques eV [4] et il a été montré récemment que ces électrons peu énergétiques contribuaient beaucoup aux ruptures simple brin ou double brin pouvant survenir lors de l’interaction avec une molécule d’ADN. Savoir que ce types d’événements est possible constitue donc une avancée dans la compréhension de l’interaction rayonnement-matériel biologique qui espérons-le permettra, dans un futur proche, une meilleure estimation des risques en radioprotection ou radiothérapie et, qui sait, peut être de nouveaux traitements favorisant localement ces électrons lents (par exemple dans les tumeurs).

Références : "Ultrafast energy transfert between water molecules" Nat. Phys. 1498 (Jan. 2010)