L'eau est vitale à la vie sur Terre et son importance ne peut tout simplement pas être surestimée - elle est également profondément enracinée dans notre conscience qu'elle a quelque chose d'extrêmement spécial. Encore, d'un point de vue scientifique, beaucoup de choses restent inconnues sur l'eau et ses nombreuses phases solides, qui présentent une pléthore de propriétés inhabituelles et de soi-disant anomalies qui, tout en étant au cœur de l'importance chimique et biologique de l'eau, sont souvent considérés comme controversés.

Cela a inspiré les chercheurs de l'University College London et de l'Université d'Oxford à mieux comprendre l'eau et la glace en tant que matériaux, qui a un impact considérable sur de nombreux domaines de recherche. Dans un article de Le Journal de Physique Chimique , ils rapportent leurs travaux sur l'ordre hydrogène de la phase désordonnée glace VI par rapport à son homologue ordonné glace XV.

"Chaque fois que l'eau liquide gèle, seuls ses atomes d'oxygène se retrouvent dans des positions fixes, " a expliqué Christoph G. Salzmann, professeur agrégé et chercheur de la Royal Society, Département de Chimie, Collège universitaire de Londres. « Les atomes d'hydrogène restent désordonnés, c'est pourquoi nous appelons ces phases de la glace « hydrogène désordonné ». Au refroidissement, les atomes d'hydrogène devraient devenir ordonnés et donner lieu à des glaces ordonnées par l'hydrogène. Encore, ce processus est difficile car les réorientations des molécules d'eau à liaison hydrogène sont très coopératives. »

Pour aider à expliquer le concept, il a utilisé un jeu de tuiles comme analogie.

« Passer du désordre à l'ordre est un travail difficile car les tuiles ne peuvent pas se déplacer indépendamment, comme dans la glace, " dit-il. " Mais, il y a quelques années, nous avons découvert que l'ajout d'une petite quantité d'acide chlorhydrique aide considérablement à atteindre l'ordre de l'hydrogène à basse température. »

L'acide chlorhydrique est "l'ingrédient magique" qui accélère les réorientations des molécules d'eau.

La glace VI et la glace XV sont toutes deux des phases de glace à haute pression qui se forment à environ 10, 000 atmosphères. "La structure de la glace XV fait l'objet de discussions scientifiques animées depuis des années, " Salzmann a déclaré. "Une variété de différents et, en partie, des modèles contradictoires ont été suggérés à partir de données expérimentales, y compris une étude précédente de notre groupe, ainsi que d'études informatiques. »

Pour ce travail, les chercheurs se sont tournés vers la diffraction des neutrons pour analyser la structure de la glace XV et sa formation à partir de la glace VI. « L'utilisation de neutrons est importante car les rayons X sont essentiellement « aveugles » vis-à-vis des atomes d'hydrogène, " Salzmann a déclaré. "Pour résoudre complètement la structure de la glace XV, nous avons vraiment besoin de savoir où se trouvent les atomes d'hydrogène, les neutrons sont essentiels."

Le travail du groupe représente un changement majeur dans la compréhension de la glace XV qui consolide une grande partie de leurs travaux antérieurs. "D'abord, nous avons montré en utilisant la diffraction des neutrons au ISIS Science and Technology Facilities Council au Royaume-Uni que la glace rétrécit dans deux directions, mais se dilate dans la troisième lors du passage de la glace VI à XV, " expliqua-t-il. " En utilisant les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, nous pouvons montrer qu'un seul modèle structurel particulier de la glace XV est cohérent avec ces changements."

Incidemment, cette structure est aussi celle que le groupe a proposée à partir de son analyse approfondie des données neutroniques.

"Cet accord entre l'expérience et les calculs est grand, en particulier, parce qu'il y a eu des points de vue contradictoires concernant la glace XV, " a-t-il ajouté. " Le volume global de la glace augmente pendant la transition de phase, ce qui explique enfin pourquoi la transition s'observe plus facilement à pression ambiante qu'à des pressions plus élevées, comportement qui nous a longtemps intrigués."

Autre point clé, présentés dans leur article, est un nouveau programme informatique appelé "RandomIce, " qui a produit la meilleure description structurelle de la glace XV à ce jour. " Nous avons présenté la préparation de la glace XV la plus ordonnée à ce jour, mais nous n'avons pas atteint un état complètement ordonné, " a déclaré Salzmann.

RandomIce permet de préparer des modèles moléculaires à grande échelle, que le groupe appelle "supercellules". Ceux-ci sont cohérents avec la structure moyenne obtenue à partir des données de diffraction, et essentiellement RandomIce "joue" au jeu de tuiles décrit précédemment jusqu'à ce que le meilleur accord avec les données de diffraction soit obtenu. "Pour faire ça, plus de 100 millions de « déplacements de tuiles » ont été nécessaires, " a souligné Salzmann.

Les travaux du groupe ouvrent la porte au développement de modèles informatiques plus précis de l'eau qui peuvent bénéficier à un large éventail de disciplines, de la biologie et de la chimie à la géologie et aux sciences de l'atmosphère.

Plus loin, il est maintenant possible de "clarifier sous quelle forme la glace devrait se produire dans certaines conditions de pression et de température à l'intérieur des lunes et des planètes glacées, " a déclaré Salzmann.

Quelle est la prochaine étape pour les chercheurs ?

"Il y a toujours une question ouverte sur la raison pour laquelle nous ne pouvons pas obtenir un ordre complet dans Ice XV, " a déclaré Salzmann. " Nous avons déjà commencé de nouveaux travaux expérimentaux pour explorer comment les propriétés de la glace changent dans les nanoconfinements et la présence d'espèces chimiques, car nous sommes intéressés à comprendre le comportement complexe de la glace sur les comètes et dans notre atmosphère. "