Les jours glacials, la vapeur d'eau dans l'air peut se transformer directement en glace solide, déposer une fine couche sur des surfaces telles qu'une vitre ou un pare-brise de voiture. Bien que banal, ce processus est celui qui a occupé les physiciens et les chimistes à découvrir les détails pendant des décennies.

Dans un nouveau La nature papier, une équipe internationale de scientifiques décrit la toute première visualisation de la structure atomique de la glace bidimensionnelle telle qu'elle s'est formée. Regards sur les résultats, qui ont été conduits par des simulations informatiques qui ont inspiré des travaux expérimentaux, pourrait un jour éclairer la conception de matériaux qui rendent le déglaçage plus simple et moins coûteux.

"L'une des choses que je trouve très excitantes, c'est que cela remet en question la vision traditionnelle de la croissance de la glace, " dit Joseph S. Francisco, un chimiste atmosphérique à l'Université de Pennsylvanie et un auteur sur le papier.

« Connaître la structure est très important, " ajoute le coauteur Chongqin Zhu, un boursier postdoctoral dans le groupe de Francisco qui a dirigé une grande partie du travail de calcul pour l'étude. "L'eau de faible dimension est omniprésente dans la nature et joue un rôle essentiel dans un spectre incroyablement large de sciences, y compris la science des matériaux, chimie, la biologie, et la science de l'atmosphère.

"Cela a aussi une signification pratique. Par exemple, enlever la glace est essentiel quand il s'agit de choses comme les éoliennes, qui ne peuvent pas fonctionner lorsqu'ils sont recouverts de glace. Si nous comprenons l'interaction entre l'eau et les surfaces, alors nous pourrons peut-être développer de nouveaux matériaux pour faciliter cette élimination de la glace."

Dans les années récentes, Le laboratoire de Francisco a consacré une attention considérable à l'étude du comportement de l'eau, et plus particulièrement de la glace, à l'interface de surfaces solides. Ce qu'ils ont appris sur les mécanismes et les structures de croissance de la glace dans ce contexte les aide à comprendre comment la glace se comporte dans des scénarios plus complexes, comme lors de l'interaction avec d'autres produits chimiques et la vapeur d'eau dans l'atmosphère.

"Nous nous intéressons à la chimie de la glace à la transition avec la phase gazeuse, car cela est pertinent pour les réactions qui se produisent dans notre atmosphère, ", explique François.

Pour comprendre les principes de base de la croissance de la glace, les chercheurs sont entrés dans ce domaine d'étude en étudiant des structures bidimensionnelles :des couches de glace qui ne sont épaisses que de quelques molécules d'eau.

Dans des études antérieures sur la glace bidimensionnelle, en utilisant des méthodes de calcul et des simulations, François, Zhu, et ses collègues ont montré que la glace pousse différemment selon qu'une surface repousse ou attire l'eau, et la structure de cette surface.

Dans les travaux en cours, ils ont cherché une vérification dans le monde réel de leurs simulations, en contactant une équipe de l'Université de Pékin pour voir s'ils pouvaient obtenir des images de glace en deux dimensions.

L'équipe de Pékin a utilisé une microscopie à force atomique super puissante, qui utilise une sonde mécanique pour "sentir" le matériau étudié, traduire le retour d'informations en images à résolution nanométrique. La microscopie à force atomique est capable de capturer des informations structurelles avec un minimum de perturbation du matériau lui-même, permettant aux scientifiques d'identifier même les structures intermédiaires instables qui sont apparues au cours du processus de formation de la glace.

Pratiquement toute la glace naturelle sur Terre est connue sous le nom de glace hexagonale pour sa structure à six côtés. C'est pourquoi les flocons de neige ont tous une symétrie sextuple. Un plan de glace hexagonale a une structure similaire à celle de la glace bidimensionnelle et peut se terminer par deux types de bords :"en zigzag" ou "fauteuil". Habituellement, ce plan de glace naturelle se termine par des bords en zigzag.

Cependant, lorsque la glace est cultivée en deux dimensions, les chercheurs constatent que le modèle de croissance est différent. Les travaux en cours, pour la première fois, montre que les bords des fauteuils peuvent être stabilisés et que leur croissance suit une nouvelle voie de réaction.

"C'est un mécanisme totalement différent de ce qui était connu, " dit Zhu.

Bien que l'on croyait auparavant que les modèles de croissance en zigzag n'avaient que des anneaux de molécules d'eau à six chaînons, les calculs de Zhu et la microscopie à force atomique ont révélé un stade intermédiaire où des anneaux à cinq chaînons étaient présents.

Ce résultat, disent les chercheurs, peut aider à expliquer les observations expérimentales rapportées dans leur article PNAS 2017, qui a découvert que la glace pouvait pousser de deux manières différentes sur une surface, selon les propriétés de cette surface.

En plus de donner un aperçu de la conception future de matériaux propices à l'élimination de la glace, les techniques utilisées dans le travail sont également applicables pour sonder la croissance d'une grande famille de matériaux bidimensionnels au-delà des glaces bidimensionnelles, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour visualiser la structure et la dynamique de la matière de basse dimension.

Pour le chimiste Jeffrey Saven, un professeur de Penn Arts &Sciences qui n'était pas directement impliqué dans les travaux en cours, la collaboration entre les théoriciens du groupe de Francisco et leurs collègues en Chine a rappelé une parabole qu'il a apprise d'un mentor au cours de sa formation.

"Un expérimentateur discute avec des théoriciens des données recueillies en laboratoire. Le théoricien médiocre dit :« Je ne peux pas vraiment expliquer vos données. » Le bon théoricien dit, « J'ai une théorie qui correspond à vos données. » Le grand théoricien dit, 'C'est intéressant, mais voici l'expérience que vous devriez faire et pourquoi.'"

Pour tirer parti de ce partenariat fructueux, Zhu, François, et leurs collègues se lancent dans des travaux théoriques et expérimentaux pour commencer à combler les lacunes liées à la façon dont la glace bidimensionnelle se transforme en trois dimensions.

« Le travail en deux dimensions est fondamental pour poser le fond, " dit Francisco. " Et faire vérifier les calculs par des expériences est si bon, car cela nous permet de revenir aux calculs et de faire le prochain pas audacieux vers les trois dimensions."

"La recherche des caractéristiques de la glace tridimensionnelle sera la prochaine étape, " Zhu dit, "et devrait être très important dans la recherche d'applications de ce travail."