La découverte d'une nouvelle glace pourrait modifier la compréhension de l'eau

Ce nouveau type de glace est plus proche de l'eau liquide que toute autre glace connue, et pourrait réécrire notre compréhension de l'eau et de ses nombreuses anomalies.

07.02.2023 - Grande-Bretagne

Des chercheurs de l'UCL et de l'Université de Cambridge ont découvert un nouveau type de glace qui ressemble plus à l'eau liquide que toutes les autres glaces connues et qui pourrait réécrire notre compréhension de l'eau et de ses nombreuses anomalies.

La glace nouvellement découverte est amorphe, c'est-à-dire que ses molécules sont désorganisées et non ordonnées comme dans la glace cristalline ordinaire. La glace amorphe, bien que rare sur Terre, est le principal type de glace que l'on trouve dans l'espace. En effet, dans l'environnement plus froid de l'espace, la glace ne dispose pas d'une énergie thermique suffisante pour former des cristaux.

Pour l'étude, publiée dans la revue Science, l'équipe de recherche a utilisé un processus appelé broyage à billes, en secouant vigoureusement de la glace ordinaire avec des billes d'acier dans un bocal refroidi à -200 degrés centigrades.

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Ils ont constaté qu'au lieu de produire de petits morceaux de glace ordinaire, le processus a donné naissance à une nouvelle forme amorphe de glace qui, contrairement à toutes les autres glaces connues, avait la même densité que l'eau liquide et dont l'état ressemblait à celui de l'eau sous forme solide. Ils ont baptisé cette nouvelle glace "glace amorphe de densité moyenne" (MDA).

L'équipe a suggéré que la MDA (qui ressemble à une fine poudre blanche) pourrait exister à l'intérieur des lunes de glace du système solaire externe, car les forces de marée des géantes gazeuses telles que Jupiter et Saturne pourraient exercer sur la glace ordinaire des forces de cisaillement similaires à celles créées par le broyage à billes. En outre, l'équipe a découvert que lorsque le MDA était réchauffé et recristallisé, il dégageait une quantité extraordinaire de chaleur, ce qui signifie qu'il pourrait déclencher des mouvements tectoniques et des "tremblements de glace" dans la couche de glace de plusieurs kilomètres d'épaisseur sur des lunes comme Ganymède.

L'auteur principal, le professeur Christoph Salzmann (Chimie UCL), a déclaré : "L'eau est le fondement de toute vie. Notre existence en dépend, nous lançons des missions spatiales à sa recherche, et pourtant, d'un point de vue scientifique, elle est mal comprise.

"Nous connaissons 20 formes cristallines de glace, mais seuls deux types principaux de glace amorphe ont été découverts jusqu'à présent, connus sous le nom de glaces amorphes à haute densité et à basse densité. Il existe un énorme écart de densité entre ces deux types de glace et l'idée reçue était qu'aucune glace n'existait dans cet écart de densité. Notre étude montre que la densité de MDA se situe précisément dans cet écart de densité et cette découverte pourrait avoir des conséquences importantes pour notre compréhension de l'eau liquide et de ses nombreuses anomalies."

L'écart de densité entre les glaces amorphes connues a conduit les scientifiques à suggérer que l'eau existe en fait sous forme de deux liquides à des températures très basses et que, théoriquement, à une certaine température, ces deux liquides pourraient coexister, l'un flottant au-dessus de l'autre, comme lorsqu'on mélange de l'huile et de l'eau. Cette hypothèse a été démontrée dans une simulation informatique, mais non confirmée par l'expérience. Les chercheurs affirment que leur nouvelle étude pourrait remettre en question la validité de cette idée.

Le professeur Salzmann a déclaré : "Les modèles existants de l'eau devraient être testés à nouveau. Ils doivent être capables d'expliquer l'existence de la glace amorphe de densité moyenne. Cela pourrait être le point de départ pour expliquer enfin l'eau liquide".

Les chercheurs ont proposé que la glace nouvellement découverte puisse être le véritable état vitreux de l'eau liquide - c'est-à-dire une réplique précise de l'eau liquide sous forme solide, de la même manière que le verre des fenêtres est la forme solide du dioxyde de silicium liquide. Toutefois, selon un autre scénario, le MDA n'est pas du tout vitreux, mais se trouve dans un état cristallin fortement cisaillé.

Le professeur Andrea Sella (chimie de l'UCL), co-auteur de l'étude, a déclaré : "Nous avons montré qu'il est possible de créer ce qui ressemble à une eau de type stop-motion. C'est une découverte inattendue et assez étonnante".

L'auteur principal, le Dr Alexander Rosu-Finsen, qui a réalisé le travail expérimental pendant son séjour à l'UCL Chemistry, a déclaré : "Nous avons secoué la glace comme des fous pendant un long moment et détruit la structure cristalline. Au lieu de nous retrouver avec des morceaux de glace plus petits, nous avons réalisé que nous avions créé un tout nouveau type de glace, avec des propriétés remarquables."

En imitant la procédure de broyage par billes via le cisaillement aléatoire répété de la glace cristalline, l'équipe a également créé un modèle informatique du MDA. Le Dr Michael Davies, qui a réalisé la modélisation informatique alors qu'il était doctorant dans le laboratoire ICE (interfaces, catalytique et environnement) de l'UCL et de l'université de Cambridge, a déclaré : "Notre découverte du MDA soulève de nombreuses questions sur la nature de l'eau liquide et il est donc très important de comprendre la structure atomique précise du MDA."

L'eau présente de nombreuses anomalies qui ont longtemps déconcerté les scientifiques. Par exemple, l'eau est la plus dense à 4 degrés centigrades et devient moins dense lorsqu'elle gèle (ce qui explique que la glace flotte). En outre, plus on presse l'eau liquide, plus elle se comprime facilement, contrairement aux principes qui s'appliquent à la plupart des autres substances.

La glace amorphe a été découverte pour la première fois sous sa forme à faible densité dans les années 1930, lorsque des scientifiques ont condensé de la vapeur d'eau sur une surface métallique refroidie à -110 degrés centigrades. Son état de haute densité a été découvert dans les années 1980 lorsque de la glace ordinaire a été comprimée à près de -200 degrés centigrades. Bien qu'elle soit courante dans l'espace, on pense que sur Terre, la glace amorphe n'existe que dans les couches supérieures froides de l'atmosphère.

Le broyage à billes est une technique utilisée dans plusieurs industries pour broyer ou mélanger des matériaux, mais n'avait pas encore été appliqué à la glace. Dans l'étude, de l'azote liquide a été utilisé pour refroidir un bocal de broyage à -200 degrés centigrades et la densité de la glace broyée à la bille a été déterminée à partir de sa flottabilité dans l'azote liquide. Les chercheurs ont utilisé un certain nombre d'autres techniques pour analyser la structure et les propriétés du MDA, notamment la diffraction des rayons X (examen du schéma des rayons X réfléchis par la glace) et la spectroscopie Raman (examen de la façon dont la glace diffuse la lumière) à l'UCL Chemistry, ainsi que la diffraction aux petits angles au UCL Centre for Nature Inspired Engineering pour explorer sa structure à longue portée. Ils ont également réussi à reproduire le processus de production de glace de densité moyenne dans une simulation informatique, en utilisant l'UCL Kathleen High Performance Computing Facility.

En outre, ils ont utilisé la calorimétrie pour étudier la chaleur libérée lorsque la glace de densité moyenne recristallise à des températures plus élevées. Ils ont découvert qu'en comprimant la MDA puis en la réchauffant, elle libérait une quantité d'énergie étonnamment importante lors de sa recristallisation, ce qui montre que_H2Opeut être un matériau géophysique à haute énergie susceptible de provoquer des mouvements tectoniques dans les lunes de glace du système solaire.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.