Le feldspath est un minéral omniprésent et constitue environ la moitié de la croûte terrestre. Dans l'atmosphère terrestre, les feldspaths jouent un rôle étonnamment important. La poudre fine transportée par l'air influence la formation des nuages. Les molécules d'eau adhèrent mieux à la poussière de feldspath qu'aux autres particules. De minuscules grains de feldspath, flottant dans l'atmosphère, deviennent ainsi d'excellentes graines de nucléation, où les molécules d'eau se collent et gèlent, pour finalement former un nuage.
On ne sait pas vraiment pourquoi le feldspath a cette remarquable capacité à lier efficacement l’eau et à permettre la formation de nuages. À l'aide d'un microscope à force atomique très sensible, des chercheurs de la TU Wien ont montré que la géométrie unique de la surface du feldspath constitue le point d'ancrage idéal pour les groupes OH de l'hydrogène et de l'oxygène, puis pour l'eau.
L'étude est publiée dans The Journal of Physical Chemistry Letters .
"Les chercheurs ont réfléchi à plusieurs idées expliquant pourquoi le feldspath est une graine de nucléation si efficace", explique le professeur Ulrike Diebold de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien, qui a dirigé le projet. "Cela pourrait être dû aux atomes de potassium contenus dans le feldspath, ou peut-être à certains défauts de sa structure cristalline."
Pour le savoir, les chercheurs de TU ont utilisé un microscope à force atomique sensible. Dans ce microscope, la surface du cristal est balayée point par point avec une pointe fine. La force entre la pointe et la surface produit une image à haute résolution, où la position de chaque atome peut être déterminée avec précision.
"Nous avons placé un morceau de feldspath dans la chambre à vide du microscope et l'avons divisé en deux pour obtenir une surface vierge et propre", explique Giada Franceschi, premier auteur de l'étude. "Nous avons été perplexes face aux résultats :les images de la surface étaient différentes de ce que les théories courantes avaient prédit."
La cause a été rapidement trouvée :de minuscules inclusions d’eau dans la roche en étaient la cause. Lorsque la pierre est brisée, un peu de vapeur d’eau se dégage. Cette vapeur s'attache à la surface fraîchement fendue et les molécules d'eau se brisent, formant des groupes hydroxyle (OH). "Au microscope, on ne voit pas la surface du feldspath elle-même mais une surface recouverte de groupes hydroxyles", explique Giada Franceschi. "Dans la nature, la surface du feldspath est également recouverte d'une telle couche d'hydroxyle."
En raison de la géométrie du cristal de feldspath, ces groupes hydroxyles sont positionnés de manière à en faire des points d’ancrage idéaux pour les molécules d’eau. Les molécules d’eau peuvent s’ancrer aux groupes hydroxyles comme des éléments constitutifs qui s’emboîtent avec précision. Ainsi, la couche d’hydroxyle forme la connexion parfaite entre le feldspath et l’eau qui se fixe sous forme de glace. "Le lien s'établit très facilement et rapidement, et il est également très stable", explique Ulrike Diebold. "Pour éliminer la couche d'hydroxyle du feldspath, il faudrait la chauffer à haute température." Les simulations informatiques confirment également cette conclusion.
Les résultats donnent un aperçu des raisons pour lesquelles des cristaux spécifiques de notre atmosphère sont particulièrement adaptés comme germes de nucléation formant des nuages. Face au changement climatique, il est important de mieux comprendre la physique de la formation des nuages. Et parfois, comme le montre le projet de recherche de la TU Wien, il faut approfondir le monde des atomes.
Plus d'informations : Giada Franceschi et al, Comment l'eau se lie au feldspath microcline (001), The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI :10.1021/acs.jpclett.3c03235
Informations sur le journal : Journal des lettres de chimie physique
Fourni par l'Université de technologie de Vienne
