Liaisons intermoléculaires - Les forces en jeu dans la matière condensée

Le dernier chapitre traite des liaisons dans l'eau, constituant un réseau connectif étendu à tout le milieu, à la fois très mobile et très ordonné. Les propriétés courantes de l'eau sont déterminées par ce réseau de liaisons au point que l'eau liquide peut être décrite comme une assemblée de liaisons en incessantes ruptures et reconstitutions. Il en résulte plusieurs conséquences pour les processus chimiques et biologiques se déroulant dans l'eau, souvent d'une grande complexité : les effets hydrophobes et hydrophiles, par exemple, mettent en jeu un grand nombre de liaisons et se propagent jusqu'à plusieurs dizaines de diamètres moléculaires dans le milieu. Plus fascinante que tout autre liquide connu, l'eau joue aussi un rôle actif dans les propriétés fonctionnelles des biofluides en influant sur la structure et la dynamique des biomolécules dissoutes et sur les signaux électromagnétiques qu'elles captent et qu'elles émettent.

Dans son ensemble, cet ouvrage apporte une méthode de compréhension des propriétés des solides et liquides basée sur les caractères spécifiques des liaisons intermoléculaires. Tout détail du potentiel intermoléculaire s'exprime à la fois dans la structure et dans la dynamique du milieu, et inversement toute particularité observée dans un milieu dense correspond à une caractéristique spécifique du potentiel. Les exemples limités présentés ici illustrent cette réciprocité fondamentale entre les propriétés de la matière et les forces en jeu entre ses molécules.

Les liaisons physiques résultent de forces intermoléculaires s'exerçant entre atomes ou molécules distincts, en contraste avec les liaisons chimiques qui mettent en jeu les forces intramoléculaires. En comparaison avec le changement complet des orbites électroniques intervenant dans les liaisons chimiques, les distributions électroniques sont peu perturbées dans les liaisons physiques. Par exemple les forces de dispersion, liaisons physiques présentes dans toutes les interactions intermoléculaires, correspondent à une simple mise en phase des orbites électroniques voisines.

L'intensité et la directivité des liaisons physiques sont en général bien moindres que celles des liaisons covalentes mais leur portée s'étend jusqu'à de grandes distances d'interaction, pouvant recouvrir tout le milieu. Cela leur permet de s'exercer dans des structures très variées à l'intérieur des phases condensées : c'est le cas par exemple pour les forces dipolaires et ioniques d'origine coulombienne.

Les liaisons physiques ont un double rôle organisateur dans la matière condensée : organisation spatiale des structures géométriques et organisation temporelle des structures dynamiques. L'origine, l'intensité et la portée des forces s'expriment dans les états solide et liquide de la matière, où la proximité des atomes en interaction les maintient en permanence dans le champ de forces de leurs voisins. Les cinq premiers chapitres décrivent ces caractéristiques des forces. On montre ensuite comment leur principe organisateur est mis en oeuvre dans les méthodes de modélisation par simulation numérique sur ordinateur, où les propriétés de la matière sont reconstruites à partir des interactions entre les atomes d'une molécule déterminée et ceux des molécules environnantes (chapitre 6). Un exemple particulièrement riche du pouvoir explicatif de cette méthode est fourni par l'étude de l'eau et des solutions dans l'eau, faisant l'objet du chapitre 7.