Illustration montrant la relation entre les cellules unitaires de glace VI et XIX vues vers le bas de leurs axes c, et les différences de leurs diagrammes de diffraction, avec code couleur rouge pour la glace XIX et bleu pour la glace VI. Crédit :Uni Innsbruck
Il y a trois ans, des chimistes de l'Université d'Innsbruck ont trouvé des preuves de l'existence d'une nouvelle variété de glace. Jusque là, 18 types de glace cristalline étaient connus. L'équipe dirigée par Thomas Loerting rapporte désormais en Communication Nature sur l'élucidation de la structure cristalline de la glace XIX par diffraction neutronique.
La glace est un matériau polyvalent. En flocons ou glaçons, les atomes d'oxygène sont disposés de manière hexagonale. Cette forme de glace est appelée glace une (glace I). "À proprement parler, cependant, ce ne sont pas réellement des cristaux parfaits, mais des systèmes désordonnés dans lesquels les molécules d'eau sont orientées aléatoirement dans des directions spatiales différentes, " explique Thomas Loerting de l'Institut de Chimie Physique de l'Université d'Innsbruck, L'Autriche. Y compris la glace I, 18 formes cristallines de glace étaient connues à ce jour, qui diffèrent par la disposition de leurs atomes. Les différents types de glace, connu sous le nom de polymorphes, se forment en fonction de la pression et de la température et ont des propriétés très différentes. Par exemple, leurs points de fusion diffèrent de plusieurs centaines de degrés Celsius. "C'est comparable au diamant et au graphite, qui sont tous deux en carbone pur, " explique le chimiste.
Variété glacée
Lorsque la glace conventionnelle I est fortement refroidie, les atomes d'hydrogène peuvent s'arranger périodiquement en plus des atomes d'oxygène si l'expérience est menée correctement. En dessous de moins 200 degrés Celsius, cela peut conduire à la formation de ce qu'on appelle la glace XI, dans lequel toutes les molécules d'eau sont ordonnées selon un modèle spécifique. Ces formes de glace ordonnées diffèrent des formes parentales désordonnées, surtout dans leurs propriétés électriques. Dans les travaux en cours, les chimistes d'Innsbruck s'occupent de la forme mère glace VI, qui se forme à haute pression, par exemple dans le manteau terrestre. Comme la glace hexagonale, cette forme de glace à haute pression n'est pas un cristal complètement ordonné.
Il y a plus de 10 ans, des chercheurs de l'Université d'Innsbruck ont produit une variante ordonnée à l'hydrogène de cette glace, qui a trouvé sa place dans les manuels scolaires sous le nom de glace XV. En changeant le processus de fabrication, il y a trois ans, l'équipe de Thomas Loerting réussissait pour la première fois à créer une deuxième forme ordonnée pour ice VI. Pour faire ça, les scientifiques ont considérablement ralenti le processus de refroidissement et augmenté la pression à environ 20 kbar. Cela leur a permis d'arranger les atomes d'hydrogène d'une seconde manière dans le réseau d'oxygène et de produire de la glace XIX. "Nous avons trouvé des preuves claires à ce moment-là qu'il s'agit d'une nouvelle variante commandée, mais nous n'avons pas été en mesure d'élucider la structure cristalline. » Aujourd'hui, son équipe a réussi à le faire en utilisant l'étalon-or pour la détermination de la structure :la diffraction des neutrons.
Maquette de glace VI, les grandes sphères rouges et bleues représentent des atomes d'oxygène, les petites sphères d'atomes d'hydrogène. Crédit :Uni Innsbruck
Structure cristalline résolue
Pour la clarification de la structure cristalline, un obstacle technique essentiel a dû être surmonté. Dans une étude utilisant la diffraction des neutrons, il faut remplacer l'hydrogène léger dans l'eau par du deutérium ("hydrogène lourd").
"Malheureusement, cela modifie également les délais de commande dans le processus de fabrication de la glace, " dit Loerting. " Mais Ph.D. l'étudiant Tobias Gasser a alors eu l'idée cruciale d'ajouter quelques pour cent d'eau normale à l'eau lourde, ce qui s'est avéré considérablement accélérer la commande. les scientifiques d'Innsbruck ont finalement pu mesurer les données neutroniques sur l'instrument HRPD haute résolution du laboratoire Rutherford Appleton en Angleterre et résoudre minutieusement la structure cristalline de la glace XIX. Cela nécessitait de trouver la meilleure structure cristalline parmi plusieurs milliers de candidats à partir des données mesurées, un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin. Un groupe de recherche japonais a confirmé le résultat d'Innsbruck dans une autre expérience dans différentes conditions de pression. Les deux articles sont maintenant publiés conjointement dans Communication Nature .
À la recherche des propriétés de la glace et de la neige :le chimiste Thomas Loerting. Crédit :Uni Innsbruck
Six formes de glace découvertes à Innsbruck
Alors que la glace et la neige conventionnelles sont abondantes sur Terre, aucune autre forme ne se trouve à la surface de notre planète, sauf dans les laboratoires de recherche. Cependant, les formes anticycloniques glace VI et glace VII se trouvent sous forme d'inclusions dans les diamants et ont donc été ajoutées à la liste des minéraux par l'International Mineralogical Association (IMA). De nombreuses variétés de glace d'eau se forment dans l'immensité de l'espace dans des conditions particulières de pression et de température. On les trouve, par exemple, sur des corps célestes comme la lune de Jupiter Ganymède, qui est recouvert de couches de différentes variétés de glace.
La glace XV et la glace XIX représentent la première paire de frères et sœurs en physique des glaces dans laquelle le réseau d'oxygène est le même, mais le modèle d'ordre des atomes d'hydrogène est différent. "Cela signifie également que pour la première fois, il sera désormais possible de réaliser la transition entre deux formes de glace ordonnées dans les expériences, " Thomas Loerting est heureux d'annoncer. Depuis les années 1980, chercheurs de l'Université d'Innsbruck, L'Autriche, sont maintenant responsables de la découverte de quatre formes de glace cristallines ainsi que deux formes amorphes.
Les travaux de recherche actuels ont été menés dans le cadre de la plate-forme de recherche pour les matériaux et les nanosciences de l'Université d'Innsbruck et ont été soutenus financièrement par le Fonds autrichien pour la science FWF.
