Au-delà du liquide, du solide et de la vapeur, par Gérald Pollack
Aujourd'hui, toujours dans notre cycle sur l'eau, nous vous proposons l'intervention de Gerald Pollack, docteur en ingénierie biomédicale, fondateur et rédacteur en chef de la revue Water, héritier de nombreux Awards dont la plus haute distinction de l’Université de Washington, qui va nous parler du quatrième état de l'eau. Bon visionnage !
Introduction
Dans cette conférence, Gérald Pollack propose de reconsidérer notre compréhension de l’eau. Son point de départ est simple : si l’on connaissait vraiment bien l’eau, on devrait pouvoir expliquer sans difficulté un grand nombre de phénomènes courants qui restent pourtant étonnants. Il soutient que l’eau ne se limite pas aux trois phases classiques — liquide, solide et vapeur — mais qu’il existe une autre forme d’eau, distincte, qu’il appelle une « quatrième phase ».
L’exposé s’organise autour de plusieurs questions : que sait-on réellement de l’eau, quelle est la nature de cette phase particulière, comment se forme-t-elle, quelle énergie l’alimente, et quelles pourraient être ses implications pour les plantes, les animaux, la santé et certaines applications pratiques.
Des phénomènes ordinaires qui restent mal expliqués
Pour introduire son propos, Gérald Pollack énumère plusieurs situations apparemment banales mais dont l’explication n’est pas si évidente.
Les nuages
Un nuage est constitué de gouttelettes d’eau condensée. Or l’eau est plus lourde que l’air. Dès lors, pourquoi le nuage reste-t-il en suspension ? L’idée d’un simple courant d’air ascendant ne suffit pas selon lui à rendre compte du phénomène.
Il pose aussi une seconde question : si l’eau s’évapore depuis la surface située sous le nuage mais aussi depuis la surface voisine, pourquoi le nuage se forme-t-il à un endroit précis et pas partout ? Il suggère qu’un mécanisme d’attraction pourrait intervenir.
Les gouttes d’eau à la surface de l’eau
Quand des gouttelettes tombent sur une surface d’eau, elles ne fusionnent pas toujours immédiatement avec elle. On peut les voir persister parfois pendant plusieurs secondes, voire davantage. Cela paraît surprenant puisque de l’eau au contact de l’eau devrait a priori se réunir très vite.
Le pont d’eau
Pollack montre ensuite l’expérience du « pont d’eau » : deux béchers remplis d’eau, placés très près l’un de l’autre, reçoivent chacun une électrode. Lorsqu’on applique une haute tension, un pont d’eau se forme entre les deux récipients. Si l’on écarte ensuite les béchers, ce pont persiste sur plusieurs centimètres. Ce comportement est inhabituel pour un liquide ordinaire.
L’eau qui se sépare sous l’effet d’un aimant
Autre exemple spectaculaire : une auge d’eau placée dans un fort champ magnétique créé par un aimant supraconducteur. L’eau colorée semble se diviser, ouvrant un passage au milieu. Pollack utilise cette image de manière provocatrice pour souligner combien les comportements de l’eau peuvent être déroutants.
Conclusion provisoire
Le but de cette série d’exemples est de montrer que l’eau n’est pas une substance aussi complètement comprise qu’on le croit souvent. Selon Pollack, il existe de nombreux phénomènes liés à l’eau que la vision classique n’explique pas correctement.
L’influence de Gilbert Ling
Gérald Pollack rend ensuite hommage à Gilbert Ling, biologiste d’origine chinoise, qu’il présente comme une figure brillante et controversée. Ling soutenait que l’eau à l’intérieur des cellules, qu’elles soient végétales ou animales, n’est pas semblable à l’eau ordinaire d’un verre.
Selon Gilbert Ling, l’eau cellulaire serait organisée, ordonnée, avec des molécules alignées les unes par rapport aux autres, au lieu d’être en agitation désordonnée comme dans l’eau liquide ordinaire. Cette idée allait à l’encontre de l’opinion dominante, selon laquelle, au mieux, quelques couches moléculaires peuvent être structurées au voisinage d’une surface, mais pas davantage à cause de l’agitation thermique.
Pollack explique avoir été profondément influencé par ces idées. Après avoir travaillé dans le domaine de la contraction musculaire, il a découvert les travaux de Gilbert Ling et a cherché à en diffuser le message. Il mentionne son propre livre, Cells, gels and the engines of life (2001), où il défend l’idée que la structure de l’eau est centrale en biologie.
L’idée d’une eau ordonnée au voisinage des surfaces
Le point de départ de Pollack est le suivant : à l’intérieur des cellules, on trouve de nombreuses macromolécules, en particulier des protéines, qui portent des charges à leur surface. Comme la molécule d’eau est dipolaire, il semble naturel de penser qu’elle peut s’orienter au voisinage de ces charges.
La vision classique admet que cela peut produire une ou deux, ou peut-être quelques couches moléculaires ordonnées. Gilbert Ling, lui, soutenait que cette organisation pouvait s’étendre beaucoup plus loin, sur des dizaines ou des centaines de couches moléculaires.
Si cette eau est réellement ordonnée, alors elle devrait se comporter un peu comme un cristal. Or un cristal exclut les impuretés, les solutés et les particules. C’est cette idée qui a conduit Pollack et son équipe à chercher expérimentalement des zones d’exclusion à proximité de certaines surfaces.
Mise en évidence de la zone d’exclusion
L’expérience avec un gel
L’une des premières expériences consiste à placer un gel dans une chambre contenant de l’eau et de petites particules appelées microsphères, d’environ 1 micromètre de diamètre.
Au voisinage du gel, on observe une région dans laquelle les particules sont absentes. Cette région s’étend au fil du temps, comme si quelque chose se construisait à partir de l’interface et repoussait progressivement les particules. Sa taille atteint environ 50 micromètres, ce qui est immense à l’échelle moléculaire.
L’expérience avec le Nafion
Un second matériau, le Nafion, donne un effet encore plus spectaculaire. Le Nafion est un polymère hydrophile portant de nombreux groupes chargés. Placé dans l’eau contenant des microsphères, il produit lui aussi une région vide de particules, mais d’une taille d’environ un demi-millimètre.
Cette région est suffisamment grande pour être visible à l’œil nu.
Le nom de « zone d’exclusion »
Un collègue australien de Pollack lui suggère de nommer cette région « zone d’exclusion », parce qu’elle exclut les particules et les solutés. En anglais, exclusion zone se prête à l’abréviation EZ, que Pollack reprend souvent dans sa présentation.
Un phénomène général
Pollack cherche ensuite à savoir si ce phénomène est particulier à quelques matériaux ou s’il est général.
Les surfaces capables de produire une zone d’exclusion
Son équipe a testé de nombreux matériaux :
- plus d’une douzaine de gels hydrophiles ;
- divers polymères ;
- plusieurs surfaces biologiques ;
- du muscle ;
- des racines végétales ;
- de la cellulose ;
- des monocouches moléculaires sur or fonctionnalisé.
Le résultat général est que la zone d’exclusion apparaît fréquemment à côté des surfaces hydrophiles. En revanche, elle n’apparaît pas à côté des surfaces hydrophobes, comme le téflon, sur lesquelles l’eau perle.
Ce qui est exclu
Pollack explique que la zone d’exclusion repousse :
- de grosses particules ;
- de petites particules ;
- des protéines ;
- des virus ;
- diverses bactéries ;
- de nombreux colorants ;
- probablement aussi des sels, même si la preuve n’était pas encore entièrement concluante au moment de la conférence.
Il en conclut qu’il s’agit d’un phénomène général : de nombreuses surfaces hydrophiles génèrent une zone d’exclusion, et de nombreux solutés en sont exclus.
Les propriétés particulières de cette eau
Pollack énumère plusieurs éléments expérimentaux montrant que l’eau de la zone d’exclusion n’est pas simplement de l’eau ordinaire.
Une eau plus ordonnée
La résonance magnétique nucléaire montre que les molécules y sont plus contraintes que dans l’eau ordinaire.
Une eau plus stable
L’analyse infrarouge indique que les molécules y sont plus stables, plus « vieilles » en quelque sorte, moins mobiles.
Une eau chargée négativement
L’une des découvertes majeures de Pollack est que cette zone d’exclusion porte une charge négative.
Une absorption à 270 nanomètres
Cette eau absorbe fortement la lumière autour de 270 nm, dans l’ultraviolet, contrairement à l’eau ordinaire.
Une viscosité plus élevée
Elle est environ deux ordres de grandeur plus visqueuse que l’eau ordinaire.
Une structure orientée
Des mesures de biréfringence et d’autres observations optiques indiquent un alignement interne des molécules.
Un indice de réfraction plus élevé
Deux laboratoires russes indépendants ont montré qu’elle possède un indice de réfraction environ 11 % plus élevé que celui de l’eau ordinaire.
Tous ces indices convergent vers l’idée qu’il s’agit bien d’un état physique différent.
La découverte de la séparation de charges
Mesure avec des microélectrodes
Pour mesurer les propriétés électriques de la zone d’exclusion, Pollack utilise des microélectrodes, technique qu’il rappelle avoir été développée par Gilbert Ling.
Dans une chambre contenant du Nafion, de l’eau et un colorant sensible au pH, l’électrode est déplacée progressivement vers la zone d’exclusion. Contre toute attente, les mesures révèlent que cette zone est négative.
Le rôle du pH
Le colorant utilisé est semblable à ceux du papier de tournesol. Il révèle qu’à l’extérieur de la zone d’exclusion se trouve une région très acide, riche en protons H+.
Le colorant lui-même n’entre pas dans la zone d’exclusion, mais la coloration observée montre qu’une forte concentration de protons s’accumule au-delà de cette zone.
Interprétation
Pollack propose alors que les molécules d’eau se séparent en deux composantes :
- une composante négative qui constitue la zone d’exclusion ;
- une composante positive, c’est-à-dire les protons, qui se retrouvent dans l’eau voisine.
Vérification par circulation de courant
Pour tester cette idée, deux électrodes sont placées, l’une dans la zone négative et l’autre dans la région positive. Reliées par une résistance, elles laissent passer un courant mesurable. Cela confirme selon Pollack qu’il y a bien séparation de charges.
Il résume alors la situation en disant qu’en présence d’une surface hydrophile, on obtient dans l’eau une sorte de batterie : une zone négative près de la surface et une zone positive plus loin.
Pourquoi le premier modèle était insuffisant
Au départ, Pollack reprenait une représentation de type dipolaire inspirée des idées de Gilbert Ling : des molécules d’eau orientées en couches successives au voisinage d’une surface chargée.
Mais il explique ensuite pourquoi ce modèle ne suffit pas. Un empilement de dipôles reste globalement neutre. Or la zone d’exclusion mesurée est chargée négativement. Il faut donc une autre structure.
Le modèle en couches hexagonales
Pollack propose un modèle où l’eau proche d’une surface hydrophile s’organise en feuillets hexagonaux. Ces couches s’empilent les unes sur les autres, avec un léger décalage d’une couche à la suivante.
Il souligne que cette structure rappelle celle de la glace, qui est elle aussi fondée sur des arrangements hexagonaux, tout en étant légèrement différente.
En comptant les atomes dans cette structure, il aboutit à une formule chimique approchée de type H3O2 pour cette eau de la zone d’exclusion. Ce déficit en charge positive expliquerait sa charge négative nette.
Pollack présente donc cette eau comme un cristal liquide : une phase intermédiaire, ordonnée, distincte à la fois de l’eau liquide ordinaire et de la glace.
Une quatrième phase de l’eau
Pollack insiste sur le fait que l’idée d’une autre phase de l’eau n’est pas nouvelle.
Albert Szent-Györgyi
Il cite Albert Szent-Györgyi, prix Nobel, qui disait : « La vie, c’est de l’eau dansant au son des solides. » Pour Pollack, cette formule exprime bien le rôle de l’eau organisée au voisinage des structures biologiques.
Sir William Hardy
Il cite aussi Sir William Hardy, qui, dès le début du XXe siècle, estimait que les trois phases classiques de l’eau ne suffisaient pas à rendre compte de toutes ses propriétés.
Pollack présente donc sa propre contribution comme une confirmation expérimentale d’une vieille intuition : l’existence d’une phase supplémentaire de l’eau.
L’eau de la zone d’exclusion peut-elle être solidifiée ?
Pollack rapporte une expérience réalisée par Vittorio Elia et son équipe à Naples. En accumulant de l’eau issue de la zone d’exclusion formée sur du Nafion, puis en éliminant l’eau libre par lyophilisation, ils obtiennent un résidu solide à température ambiante.
Selon Pollack, ce résidu est essentiellement constitué d’hydrogène et d’oxygène, avec très peu d’impuretés. Il y voit un argument fort en faveur de l’idée que l’eau de la zone d’exclusion est une forme condensée, proche d’un cristal liquide, pouvant donner un solide à température ambiante.
Des charges de même signe peuvent-elles s’attirer ?
Pollack revient alors à la question posée au début : deux charges négatives se repoussent-elles toujours ?
Il répond que non, pas nécessairement. Si deux objets négatifs sont entourés d’une zone riche en charges positives, ces charges positives intermédiaires peuvent les attirer l’un vers l’autre.
Il rattache cette idée à une formulation de Richard Feynman : « like likes like through an intermediate of unlike » — le semblable aime le semblable par l’intermédiaire du dissemblable.
Dans le cas de deux particules entourées d’eau formant une zone d’exclusion, les charges positives rejetées à l’extérieur peuvent s’accumuler entre elles et créer une attraction qui l’emporte sur la répulsion directe entre charges négatives.
Application aux nuages
Pollack suggère que les nuages pourraient être stabilisés de cette manière. Les gouttelettes négatives seraient maintenues ensemble par la présence de charges positives dans l’atmosphère. Cela pourrait aussi expliquer comment d’autres gouttelettes sont attirées et rejoignent le nuage.
La surface de l’eau et la tension superficielle
Pollack propose aussi une interprétation de la tension superficielle.
L’explication classique fait intervenir une seule couche moléculaire à la surface de l’eau. Lui pense qu’il existe au contraire une couche plus épaisse, de type zone d’exclusion, à l’interface air-eau.
Dans une chambre contenant eau et microsphères, on observe en effet la formation d’une région claire près de la surface libre. Cette région exclut les particules, présente un potentiel électrique élevé et se comporte comme une couche cohérente, presque gélifiée.
Selon Pollack, la forte tension superficielle de l’eau pourrait donc venir de cette couche d’eau structurée, et non d’une simple monocouche moléculaire.
Le lézard basilic
Il évoque à ce propos le lézard basilic, parfois appelé « lézard Jésus-Christ », capable de courir à la surface de l’eau. Il suggère que cette couche de surface structurée pourrait contribuer à soutenir ce type de déplacement.
Le pont d’eau revisité
Le caractère très rigide du pont d’eau devient plus compréhensible si l’on suppose qu’il n’est pas constitué d’eau liquide ordinaire, mais d’eau de type zone d’exclusion, c’est-à-dire d’une structure cristalline liquide. Les cristaux pouvant être mécaniquement rigides, cela expliquerait la stabilité du pont.
Les gels et peut-être les sols
Pollack insiste sur le fait qu’un gel contient énormément d’eau, parfois plus de 95 %, et pourtant cette eau ne s’écoule pas librement. Pour lui, cela s’explique si l’eau enfermée dans le gel n’est pas de l’eau ordinaire, mais de l’eau structurée, attachée à la matrice hydrophile.
Il propose que des phénomènes comparables puissent aussi intervenir dans les sols, notamment dans leur capacité à retenir l’eau comme une éponge.
Quelle énergie construit cette eau ordonnée ?
Pollack aborde ensuite une question fondamentale : si cette eau ordonnée et cette séparation de charges existent, quelle énergie les produit ? Car créer de l’ordre et séparer des charges demande forcément de l’énergie.
Après plusieurs années de recherche, son équipe conclut que cette énergie vient de la lumière, et plus particulièrement du rayonnement infrarouge.
L’expérience de la lampe
Un étudiant éclaire accidentellement une chambre contenant du Nafion, de l’eau et des microsphères. Immédiatement, la zone d’exclusion s’élargit dans la région éclairée. Quand la lumière est retirée, elle revient à sa taille initiale.
Les longueurs d’onde efficaces
En testant différentes longueurs d’onde, de l’ultraviolet à l’infrarouge, Pollack constate que l’infrarouge est la plus efficace pour agrandir la zone d’exclusion.
Comme le rayonnement infrarouge est présent partout dans l’environnement, il en conclut que toute surface hydrophile au contact de l’eau est susceptible de produire spontanément cette phase ordonnée.
Un lien avec la photosynthèse
Pollack note une ressemblance frappante entre ce qu’il observe et la première étape de la photosynthèse : la lumière entraîne une séparation de charges issue de l’eau.
Selon lui, il est possible que le mécanisme observé dans ses expériences soit une version générique du processus, que les plantes auraient spécialisée grâce à la chlorophylle et à leurs structures propres.
L’eau comme transducteur d’énergie
Pollack propose alors une idée forte : l’eau n’est pas seulement un milieu passif, elle peut agir comme un transducteur, c’est-à-dire convertir l’énergie lumineuse en d’autres formes d’énergie, notamment mécanique.
Le flux spontané dans les tubes hydrophiles
Observation dans un tube de Nafion
Un étudiant de son laboratoire remarque que l’eau se met à circuler spontanément dans un tube de Nafion, sans différence de pression apparente. Le tube est horizontal, les niveaux d’eau sont identiques de part et d’autre, et pourtant le flux persiste.
Confirmation dans des tunnels de gel
Pour vérifier que ce phénomène n’est pas propre au Nafion, l’équipe fabrique des tunnels dans différents gels hydrophiles. Dans tous les cas, une zone d’exclusion se forme à la paroi interne, les particules sont repoussées vers le centre, et un flux apparaît.
Effet de la lumière
Quand on augmente l’éclairage, la vitesse du flux augmente également, jusqu’à être multipliée par cinq. Cela renforce l’idée que ce mouvement est alimenté par l’énergie lumineuse.
Mécanisme proposé
La zone d’exclusion négative est relativement attachée à la paroi. Les charges positives, elles, sont libres de se déplacer. En s’accumulant dans le tube, elles se repoussent mutuellement et créent un mouvement le long du tube. Pour Pollack, c’est ce mécanisme qui explique le flux spontané.
Implications pour la circulation sanguine
Pollack suggère ensuite que ce type de mécanisme pourrait jouer un rôle dans la circulation sanguine, notamment dans les très petits vaisseaux.
Il rappelle que certains capillaires sont plus étroits que les globules rouges qui doivent les traverser. Cela suppose des déformations importantes et donc des forces considérables. Il souligne aussi que l’écoulement dans les microvaisseaux n’est pas simplement pulsé comme le serait un flux directement imposé par le cœur.
Expériences citées
Il mentionne des travaux montrant qu’après l’arrêt du cœur chez un animal, une circulation résiduelle persiste encore pendant un certain temps.
Dans son propre laboratoire, sur embryon de poulet, l’arrêt du cœur réduit fortement le flux, mais ne l’annule pas. Quand on applique ensuite un apport infrarouge, le flux augmente à nouveau, environ par un facteur trois.
Selon Pollack, cela suggère que le rayonnement infrarouge ambiant pourrait contribuer à la propulsion du sang dans les microvaisseaux.
Implications possibles pour les plantes
Pollack rapproche ce mécanisme des flux dans les plantes, notamment dans le xylème. Il avait déjà montré plus tôt une image envoyée par Martin Canny, où une zone d’exclusion apparaissait le long des parois de vaisseaux végétaux.
Il propose que le transport de l’eau dans les plantes puisse, au moins en partie, s’expliquer par la formation de zones d’exclusion et la propulsion associée aux charges positives. Cela pourrait aussi éclairer la dépendance saisonnière de la circulation : plus de chaleur et d’infrarouge en saison chaude, donc plus de flux ; moins d’infrarouge en saison froide, donc diminution du flux et déshydratation des feuilles.
Protons, friction et travail mécanique
Pollack souligne que les protons produits dans ces systèmes peuvent fournir une force importante.
Il prend plusieurs exemples :
- le patinage sur glace, où une couche de surface proche de l’eau structurée pourrait réduire fortement le frottement ;
- la fissuration de la roche, par exemple dans l’extraction ancienne des blocs pour les pyramides, où l’eau introduite dans une fissure pourrait générer des protons capables d’exercer de fortes pressions latérales.
Implications pour la cellule et le vivant
Pollack généralise enfin sa vision à l’ensemble de la cellule.
Selon lui, l’intérieur cellulaire est très encombré en macromolécules hydrophiles. Cela favorise la formation d’une grande quantité d’eau de zone d’exclusion chargée négativement. Cette charge négative interne pourrait expliquer le potentiel électrique cellulaire, sans recourir seulement aux mécanismes classiques de pompes et de canaux.
Il propose aussi que l’énergie potentielle associée à ces charges joue un rôle dans le pliage des protéines, lequel est au cœur du travail cellulaire :
- contraction musculaire ;
- transmission nerveuse ;
- sécrétion ;
- fonctionnement général de la cellule.
Dans cette vision, la lumière alimente la formation d’eau structurée, cette eau stocke de l’énergie potentielle, et cette énergie contribue ensuite au fonctionnement biologique.
Conséquences possibles pour la santé
Pollack en déduit plusieurs conseils ou pistes pratiques visant à favoriser la formation d’eau structurée dans l’organisme.
Boire suffisamment d’eau
L’eau est la matière première nécessaire à la formation de cette phase ordonnée.
Le jus vert
Il suggère que les jus extraits de feuilles pourraient contenir déjà une part importante d’eau structurée provenant des cellules végétales.
Certaines substances
Il cite notamment :
- le curcuma ;
- l’eau de coco ;
- le chia.
Selon ses expériences, certaines de ces substances favoriseraient la formation de la zone d’exclusion.
À l’inverse, il mentionne que des composés présents dans des boissons comme la bière pourraient réduire cette structuration.
Soleil et infrarouge
L’exposition à la lumière solaire et à l’infrarouge pourrait aider à former davantage d’eau structurée dans le corps. Pollack évoque ainsi :
- le bien-être ressenti au soleil ;
- l’effet bénéfique du sauna, qu’il relie à l’absorption d’infrarouge.
Mise à la terre
Il mentionne aussi la « mise à la terre » : marcher pieds nus permettrait selon lui de bénéficier de la charge négative de la Terre, ce qui pourrait favoriser la formation d’eau structurée.
Il précise qu’il ne veut pas dire que les humains font de la photosynthèse, mais qu’ils pourraient utiliser la lumière d’une manière apparentée à celle des plantes.
Applications pratiques envisagées
Pollack mentionne enfin plusieurs applications technologiques.
Produire de l’électricité
Puisqu’une séparation de charges existe entre la zone d’exclusion et la région voisine, on peut placer des électrodes et obtenir un courant. Il indique qu’il est possible d’allumer une petite lampe avec de l’eau et de l’énergie lumineuse.
Purifier l’eau
La zone d’exclusion rejetant les particules et les solutés, Pollack décrit un dispositif où l’eau contaminée est amenée à proximité de zones d’exclusion. Les impuretés sont concentrées dans certaines régions, tandis que de l’eau plus propre peut être récupérée ailleurs.
Il évoque une séparation de 200 pour 1 en un seul passage.
Dessalement
Il suggère que le même principe pourrait être utilisé pour séparer le sel de l’eau de mer en utilisant essentiellement l’énergie solaire.
Conclusion
Pour Gérald Pollack, les résultats expérimentaux accumulés indiquent que l’eau possède non pas trois, mais quatre phases. La phase supplémentaire, qu’il identifie à l’eau de zone d’exclusion, serait :
- ordonnée ;
- de type cristal liquide ;
- chargée négativement ;
- capable d’exclure les solutés ;
- alimentée par la lumière, surtout infrarouge.
Il estime que cette idée a des implications très larges :
- en biologie cellulaire ;
- pour la circulation sanguine ;
- pour la physiologie végétale ;
- en chimie ;
- en météorologie ;
- pour la santé ;
- et dans diverses technologies liées à l’énergie et à la purification de l’eau.
Il conclut en présentant également l’Institute for Venture Science, destiné à soutenir des idées scientifiques prometteuses qui remettent en question les cadres conventionnels.
Voir aussi
- Gérald Pollack
- Gilbert Ling
- Eau
- Photosynthèse
- Xylème
- Tension superficielle
