Des chercheurs de Stanford ont pour la première fois capturé le gel de l'eau, molécule par molécule, dans un étrange, forme dense appelée glace VII ("glace sept"), trouvé naturellement dans des environnements d'un autre monde, comme lorsque des corps planétaires glacés entrent en collision.

En plus d'aider les scientifiques à mieux comprendre ces mondes lointains, les résultats - publiés en ligne le 11 juillet dans Lettres d'examen physique - pourrait révéler comment l'eau et d'autres substances subissent des transitions de liquides à solides. Apprendre à manipuler ces transitions pourrait un jour ouvrir la voie à des matériaux d'ingénierie dotés de nouvelles propriétés exotiques.

"Ces expériences avec l'eau sont les premières du genre, nous permettant d'assister à une transition fondamentale du désordre à l'ordre dans l'une des molécules les plus abondantes de l'univers, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Arianna Gleason, chercheur postdoctoral au Los Alamos National Laboratory et chercheur invité au Extreme Environments Laboratory de la Stanford's School of Earth, Sciences de l'énergie et de l'environnement.

Les scientifiques étudient depuis longtemps comment les matériaux subissent des changements de phase entre le gaz, états liquide et solide. Les changements de phase peuvent se produire rapidement, cependant, et à l'échelle minuscule de simples atomes. Des recherches antérieures ont eu du mal à saisir l'action d'instant en instant des transitions de phase, et au lieu de cela, il a travaillé à rebours à partir de solides stables en rassemblant les étapes moléculaires prises par les liquides précédents.

"Il y a eu énormément d'études sur la glace parce que tout le monde veut comprendre son comportement, " a déclaré l'auteur principal de l'étude Wendy Mao, professeur agrégé de sciences géologiques et chercheur principal du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES). "Ce que démontre notre nouvelle étude, et qui n'a pas été fait avant, est la capacité de voir la structure de la glace se former en temps réel."

Attraper la glace en flagrant délit

Ces délais sont devenus réalisables grâce à la source de lumière cohérente Linac, le laser à rayons X le plus puissant au monde situé dans le laboratoire national de l'accélérateur SLAC situé à proximité. Là, l'équipe scientifique a rayonné une intense, laser de couleur verte sur une petite cible contenant un échantillon d'eau liquide. Le laser vaporise instantanément des couches de diamant sur un côté de la cible, générer une force semblable à une fusée qui a comprimé l'eau à des pressions supérieures à 50, 000 fois celle de l'atmosphère terrestre au niveau de la mer.

Au fur et à mesure que l'eau se compactait, un faisceau séparé d'un instrument appelé laser à électrons libres de rayons X est arrivé dans une série d'impulsions lumineuses d'une femtoseconde seulement, ou un quadrillionième de seconde, longue. Semblable aux flashs d'appareil photo, ce laser à rayons X stroboscopique a capturé un ensemble d'images révélant la progression des changements moléculaires, style flip book, tandis que l'eau sous pression s'est cristallisée en glace VII. Le changement de phase n'a pris que 6 milliardièmes de seconde, ou nanosecondes. Étonnamment, au cours de ce processus, les molécules d'eau liées en forme de tige, et non des sphères comme la théorie l'avait prédit.

La plate-forme développée pour cette étude - combinant haute pression et images instantanées - pourrait aider les chercheurs à sonder les innombrables façons dont l'eau gèle, en fonction de la pression et de la température. Dans les conditions à la surface de notre planète, l'eau cristallise d'une seule manière, glace surnommée Ih ("ice one-H") ou simplement "glace hexagonale, " que ce soit dans des glaciers ou des bacs à glaçons au congélateur.

Plonger dans les types de glace extraterrestres, y compris la glace VII, aidera les scientifiques à modéliser des environnements aussi éloignés que les impacts de comètes, les structures internes potentiellement vitales, des lunes remplies d'eau comme l'Europe de Jupiter, et la dynamique du jumbo, rocheux, exoplanètes océaniques appelées super-Terres.

"Tout satellite glacé ou intérieur planétaire est intimement lié à la surface de l'objet, " a déclaré Gleason. " En savoir plus sur ces intérieurs glacés nous aidera à comprendre comment les mondes de notre système solaire se sont formés et comment au moins l'un d'entre eux, pour autant que nous le sachions, en est venu à avoir toutes les caractéristiques nécessaires à la vie."