La découverte de nouvelles glaces pourrait modifier notre compréhension de l’eau

Des chercheurs de l’UCL et de l’Université de Cambridge ont découvert un nouveau type de glace qui ressemble plus à de l’eau liquide qu’à toute autre glace connue 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 sous une forme désorganisée, pas parfaitement ordonnées comme elles le sont dans la glace cristalline ordinaire. La glace amorphe, bien que rare sur Terre, est le principal type de glace trouvé dans l’espace. En effet, dans l’environnement plus froid de l’espace, la glace n’a pas assez d’énergie thermique pour former des cristaux.

Pour l’étude publiée dans la revue La sciencel’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.

Ils ont découvert que, plutôt que de se retrouver avec de petits morceaux de glace ordinaire, le processus produisait une nouvelle forme de glace amorphe qui, contrairement à toutes les autres glaces connues, avait la même densité que eau liquide et dont l’état ressemblait à de l’eau sous forme solide. Ils ont nommé la nouvelle glace “moyenne densité glace amorphe” (MDA).

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

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

“Nous connaissons 20 formes cristallines de glace, mais seuls deux principaux types de glace amorphe ont été découverts auparavant, connus sous le nom de haute densité et des glaces amorphes de faible densité. Il y a un énorme écart de densité entre eux et la sagesse acceptée veut qu’il n’y ait pas de glace dans cet écart de densité. Notre étude montre que la densité de MDA se situe précisément dans cet écart de densité et cette découverte peut avoir des conséquences considérables 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 la forme de deux liquides à des températures très froides et que théoriquement, à une certaine température, ces deux liquides pourraient coexister, un type flottant au-dessus de l’autre, comme lors du mélange d’huile et d’eau. Cette hypothèse a été démontrée dans une simulation informatique, mais non confirmée par l’expérience. Les chercheurs disent que leur nouvelle étude peut soulever des questions sur la validité de cette idée.

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

Les chercheurs ont proposé que la glace nouvellement découverte pourrait 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 le forme solide de dioxyde de silicium liquide. Cependant, un autre scénario est que le MDA n’est pas du tout vitreux, mais se trouve dans un état cristallin fortement cisaillé.

Le co-auteur, le professeur Andrea Sella (UCL Chemistry) a déclaré : “Nous avons montré qu’il est possible de créer ce qui ressemble à une sorte d’eau en stop-motion. C’est une découverte inattendue et assez étonnante.”

L’auteur principal, le Dr Alexander Rosu-Finsen, qui a effectué le travail expérimental à l’UCL Chemistry, a déclaré: “Nous avons secoué la glace comme un fou pendant longtemps et détruit la structure cristalline. Plutôt que de nous retrouver avec de plus petits morceaux de glace, nous réalisé que nous avions trouvé un tout nouveau genre de chose, avec des propriétés remarquables.”

En imitant la procédure de broyage à billes via un cisaillement aléatoire répété de la glace cristalline, l’équipe a également créé un modèle informatique de MDA. Le Dr Michael Davies, qui a effectué la modélisation informatique pendant son doctorat. étudiant au laboratoire ICE (interfaces, catalytique et environnemental) de l’UCL et de l’Université de Cambridge, a déclaré : “Notre découverte de la MDA soulève de nombreuses questions sur la nature de l’eau liquide et il est donc très important de comprendre la structure atomique précise de la MDA.”

L’eau présente de nombreuses anomalies qui ont longtemps dérouté les scientifiques. Par exemple, l’eau est à son maximum à 4 degrés centigrades et devient moins dense lorsqu’elle gèle (la glace flotte donc). De plus, plus vous pressez de l’eau liquide, plus elle devient facile à comprimer, ce qui s’écarte des principes vrais pour 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 que courante dans l’espace, sur Terre, on pense que la glace amorphe ne se produit que dans les parties supérieures froides de l’atmosphère.

Le broyage à billes est une technique utilisée dans plusieurs industries pour broyer ou mélanger des matériaux, mais qui n’avait pas été appliquée auparavant à la glace. Dans l’étude, de l’azote liquide a été utilisé pour refroidir un bol de broyage à -200 degrés centigrades et la densité de la glace broyée à billes 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 (en regardant le schéma des rayons X réfléchis par la glace) et la spectroscopie Raman (en regardant comment la glace diffuse la lumière) à l’UCL. Chimie ainsi que diffraction aux petits angles au UCL Center for Nature-Inspired Engineering pour explorer sa structure à longue portée. Ils ont également reproduit avec succès le processus de production de glace de densité moyenne dans une simulation informatique, à l’aide de l’UCL Kathleen High Performance Computing Facility.

De plus, ils ont utilisé la calorimétrie pour étudier la chaleur dégagée lorsque le milieudensité glace recristallisée à des températures plus chaudes. Ils ont découvert que, s’ils comprimaient le MDA puis le réchauffaient, il libérait une quantité d’énergie étonnamment élevée lors de sa recristallisation, montrant que H₂O peut être un matériau géophysique à haute énergie qui peut entraîner des mouvements tectoniques dans les lunes de glace du système solaire.