il y a 150 ans, le physicien Michael Faraday a découvert qu'à la surface de la glace gelée, bien en dessous de 0°C, un mince film d'eau de type liquide est présent. Ce film mince rend la glace glissante et est crucial pour le mouvement des glaciers.

Depuis la découverte de Faraday, les scientifiques ont exploré les propriétés de cette couche semblable à de l'eau, tenter de déterminer la température à laquelle la surface devient liquide. Comment l'épaisseur de la couche dépend-elle de la température ? Comment l'épaisseur de la couche augmente-t-elle avec la température ? En continu ? Par étapes ? Les expériences à ce jour ont généralement montré une couche très mince, qui croît en continu en épaisseur jusqu'à 45 nm juste en dessous du point de fusion à 0°C. Cela illustre également pourquoi il a été si difficile d'étudier cette couche d'eau de type liquide sur de la glace - 45 nm correspond à environ 1/1000e de l'épaisseur d'un cheveu humain et n'est pas discernable à l'œil nu.

Scientifiques de l'Institut Max Planck de recherche sur les polymères (MPI-P), en collaboration avec des chercheurs des Pays-Bas, les États-Unis et le Japon, ont étudié les propriétés de cette couche quasi-liquide sur la glace au niveau moléculaire en utilisant une spectroscopie avancée spécifique à la surface et des simulations informatiques. Les résultats sont publiés dans la dernière édition de la revue scientifique Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

Les scientifiques ont étudié comment la fine couche liquide se forme sur la glace, comment il grandit avec l'augmentation de la température, et si elle se distingue de l'eau liquide normale. Ces études nécessitaient des surfaces de cristaux de glace bien définies. Ainsi, beaucoup d'efforts ont été consacrés à la création de monocristaux de glace d'environ 10 cm, qui pouvait être découpé de manière à ce que la structure de la surface soit mesurable. Les molécules d'eau dans le liquide ont une interaction plus faible entre elles que les molécules d'eau dans la glace. Grâce à leur spectroscopie interfaciale, combiné au chauffage contrôlé du cristal de glace, les chercheurs ont pu quantifier l'évolution de l'interaction entre les molécules d'eau directement à l'interface entre la glace et l'air, et déterminer si la surface était solide ou liquide.

Les résultats expérimentaux, combiné avec les simulations, a montré que la première couche moléculaire à la surface de la glace fondait à des températures aussi basses que -38° C (235 K), la température la plus basse que les chercheurs ont pu étudier expérimentalement. Augmentation de la température à -16° C (257 K), la deuxième couche est devenue liquide. La fonte superficielle de la glace n'est pas un processus continu, mais se produit dans un discontinu, mode couche par couche.

"Une autre question importante pour nous était de savoir si l'on pouvait distinguer entre les propriétés de la couche quasi-liquide et celles de l'eau normale, " dit Mischa Bonn, co-auteur de l'article et directeur au MPI-P. Et en effet, la couche quasi-liquide à -4°C (269 K) montre une réponse spectroscopique différente de celle de l'eau surfondue à la même température; dans la couche quasi-liquide, les molécules d'eau semblent interagir plus fortement que dans l'eau liquide.

Les résultats ne sont pas seulement importants pour une compréhension fondamentale de la glace, mais aussi pour la science du climat, comme de nombreuses réactions catalytiques se produisent sur les surfaces glacées, et pour laquelle la compréhension de la structure de la surface de la glace est cruciale.