Une nouvelle forme de glace découverte de manière inattendue lors d'une expérience

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La recherche illustre tout ce que les scientifiques ont encore à apprendre sur une molécule aussi simple que l'eau.

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De Kenneth Chang

Secouée et refroidie - mais pas remuée - l'eau gelée ordinaire se transforme en quelque chose de différent : une forme de glace nouvellement découverte faite d'un fouillis de molécules aux propriétés uniques.

"C'est complètement inattendu et très surprenant", a déclaré Christoph Salzmann, professeur de chimie à l'University College de Londres en Angleterre et auteur d'un article publié jeudi dans la revue Science décrivant la glace.

L'eau est une molécule simple qui a été étudiée avec attention par les scientifiques pendant des siècles : deux atomes d'hydrogène se projetant à un angle de 104,5 degrés en forme de V à partir d'un atome d'oxygène central.

La nouvelle découverte montre, une fois de plus, que l'eau, une molécule sans laquelle on ne sait pas que la vie puisse exister, cache encore des surprises scientifiques encore à révéler. Cette expérience a utilisé un équipement relativement simple et peu coûteux pour révéler une forme de glace qui pourrait exister ailleurs dans le système solaire et dans tout l'univers.

Dans la vie de tous les jours, nous rencontrons trois formes d'eau : un gaz vaporeux comme la vapeur, de l'eau liquide qui coule et de la glace dure et glissante. La glace de notre vie quotidienne est constituée de molécules d'eau alignées selon un motif hexagonal, et ces réseaux hexagonaux s'empilent parfaitement les uns sur les autres. La structure hexagonale n'est pas serrée, c'est pourquoi la glace est moins dense que l'eau liquide et flotte.

Avec des permutations de température et de pression en dehors de ce qui se produit généralement sur Terre, les molécules d'eau peuvent être poussées dans d'autres structures cristallines. Les scientifiques connaissent maintenant 20 formes cristallines de l'eau. La 20e forme de glace a été découverte l'année dernière.

De plus, les chercheurs ont également documenté deux types de glace avec des molécules mélangées, ce qu'ils appellent des matériaux amorphes. Parce que l'une des glaces amorphes est plus dense que l'eau, elle est connue sous le nom de glace amorphe à haute densité ; l'autre, de densité inférieure à celle de l'eau, est de la glace amorphe de faible densité. Les glaces amorphes ne se trouvent pas sur Terre, mais elles pourraient être répandues dans l'espace extra-atmosphérique, dans les comètes, les nuages ​​interstellaires et les mondes glacés comme Europe, une lune de Jupiter.

Il existe même un type d'eau qui est à la fois liquide et solide. En 2018, les scientifiques ont annoncé la création de "l'eau superionique", qui était à la fois solide et liquide.

Le Dr Salzmann et ses collègues ne cherchaient pas à ajouter au catalogue des glaces à l'eau. Ils voulaient plutôt étudier de très petits cristaux de glace, car de minuscules morceaux de quelque chose possèdent parfois des propriétés très différentes des plus gros morceaux de la même matière.

Alors Alexander Rosu-Finsen, chercheur postdoctoral dans le groupe de recherche du Dr Salzmann et auteur principal de l'article scientifique, a commencé à briser la glace. La glace d'eau a d'abord été refroidie dans de l'azote liquide à moins 320 degrés Fahrenheit, puis placée dans un récipient avec des billes d'acier. Une machine a ensuite secoué la glace et les billes d'acier, toujours refroidies à des températures ultra-froides, d'avant en arrière à 20 fois par seconde, pulvérisant la glace en petits morceaux, un processus connu sous le nom de broyage à billes.

Considérez-le comme un shaker à cocktail high-tech.

Le Dr Rosu-Finsen a ensuite ouvert le récipient.

"Et voilà, quelque chose de complètement inattendu s'est produit", a déclaré le Dr Rosu-Finsen, qui est maintenant rédacteur en chef adjoint de la revue Nature Reviews Chemistry.

Le matériau blanc à l'intérieur ressemblait à ce à quoi on s'attendrait à voir de la glace brisée, mais il avait été transformé.

Le matériau était maintenant plus dense et une grande partie de la structure cristalline avait été détruite, produisant un matériau amorphe. La densité, cependant, ne correspondait pas aux glaces amorphes de haute et basse densité déjà connues. Curieusement, il est tombé entre les deux; en effet, c'était presque exactement la même densité que l'eau liquide. Jusqu'à présent, toutes les formes solides de glace, cristallines ou amorphes, étaient soit significativement plus denses, soit moins denses que l'eau liquide.

Les chercheurs l'ont nommée glace amorphe de densité moyenne, ou MDA.

Le claquement des billes d'acier a appliqué une force de cisaillement sur les cristaux de glace, suffisante pour faire sortir les molécules d'eau de leurs positions cristallines, leur permettant d'être emballées plus étroitement.

"C'est vraiment cool", a déclaré Marius Millot, un physicien du Lawrence Livermore National Laboratory en Californie qui a dirigé l'expérience qui a créé de l'eau superionique. "Ce que cela nous dit, c'est qu'il y a encore beaucoup de choses que nous ne comprenons pas."

Cette glace amorphe de densité moyenne a presque la même densité que l'eau liquide soulève la possibilité qu'il s'agisse en fait d'un verre, une cacophonie liquide de molécules s'écoulant jusqu'à ce qu'elle refroidisse et ralentisse et gèle dans le temps sans cristalliser, toujours désordonnée.

"C'est la question clé", a déclaré le Dr Salzmann. "Le MDA est-il le verre d'eau liquide ?"

Des expériences de suivi pourraient ajouter des impuretés à la glace. "Nous avons fait les expériences avec de la glace pure", a déclaré le Dr Salzmann. "La prochaine question est, que se passera-t-il si nous commençons à mélanger d'autres choses?"

Les résultats pourraient être utiles aux scientifiques planétaires. Les températures se situent dans les limites de ce que l'on trouve sur Europe, et Jupiter exerce d'énormes forces de marée sur la lune océanique glacée, qui sera visitée et étudiée de près par la NASA et les orbiteurs européens.

"Vous obtenez exactement le même type de mouvement de cisaillement", a déclaré le Dr Salzmann. "La spéculation est maintenant qu'il pourrait y avoir du MDA dans le système solaire externe."

Les chercheurs ont également découvert une propriété du MDA qui est unique parmi les glaces d'eau. Pour la plupart des matériaux, si vous le comprimez puis relâchez la pression, il revient simplement à ce qu'il était avant. Mais en comprimant le MDA, puis en relâchant la pression et en le chauffant, il a libéré une grande bouffée d'énergie.

Cette énergie, libérée lors de la recristallisation de la glace amorphe, pourrait déclencher des tremblements de glace, par exemple.

Cela signifie peut-être que la physique de la nouvelle glace pourrait jouer un rôle dans la formation de la croûte glacée d'Europe et la dynamique de la glace plus loin dans l'océan de la lune, avec des implications pour savoir si les conditions là-bas pourraient être hospitalières pour la vie.

Une version antérieure de cet article déformait l'angle entre les liaisons hydrogène-oxygène dans une molécule d'eau. Il fait 104,5 degrés, pas 120.

Comment nous gérons les corrections

Kenneth Chang est au Times depuis 2000, écrivant sur la physique, la géologie, la chimie et les planètes. Avant de devenir écrivain scientifique, il était un étudiant diplômé dont les recherches portaient sur le contrôle du chaos. @kchangnyt

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