À gauche :les nuages de glace dans la haute atmosphère diffusent la lumière, créant parfois des halos autour du soleil. Pour mieux comprendre comment les nuages interagissent avec la lumière du soleil et l'atmosphère, les chercheurs ont créé une forme spéciale de glace en laboratoire. À droite :les cristaux de glace nouvellement créés diffusent les rayons X en un motif de cercles concentriques avec une fréquence et une intensité particulières, indiquant que les molécules d'eau dans les cristaux ont un arrangement cubique presque parfait. Crédit:Photo via Pixabay, Image de diffraction des rayons X avec l'aimable autorisation de l'Ohio State University.
Vous ne trouverez pas de glaçons comme celui-ci dans votre congélateur.
Une équipe internationale de scientifiques a établi un nouveau record pour la création de cristaux de glace qui ont un arrangement cubique presque parfait de molécules d'eau - une forme de glace qui peut exister dans les nuages de haute altitude les plus froids, mais qui est extrêmement difficile à fabriquer sur Terre.
La capacité de fabriquer et d'étudier de la glace cubique en laboratoire pourrait améliorer les modèles informatiques de la façon dont les nuages interagissent avec la lumière du soleil et l'atmosphère - deux clés pour comprendre le changement climatique, dit Barbara Wyslouzil, chef de projet et professeur de génie chimique et biomoléculaire à l'Ohio State University.
Cela pourrait également améliorer notre compréhension de l'eau - l'une des molécules les plus importantes pour la vie sur notre planète.
Vu au microscope, glace d'eau normale - tout ce qui provient d'étangs gelés, neiger, à la glace que nous fabriquons à la maison - est faite de cristaux à symétrie hexagonale, expliqua Wyslouzil. Mais avec seulement un léger changement dans la façon dont les molécules d'eau sont disposées dans la glace, les cristaux peuvent prendre une forme cubique.
Jusque là, les chercheurs ont utilisé la présence de nuages de glace cubiques froids au-dessus de la surface de la terre pour expliquer des halos intéressants observés autour du soleil, ainsi que la présence de cristaux de glace triangulaires dans l'atmosphère. Les scientifiques ont lutté pendant des décennies pour fabriquer de la glace cubique en laboratoire, mais parce que la forme cubique est instable, le plus proche est de fabriquer des cristaux hybrides d'environ 70 pour cent cubiques, 30 pour cent hexagonal.
Les chercheurs ont créé des cristaux de glace avec un arrangement cubique presque parfait de molécules d'eau, afin de mieux comprendre comment les nuages de glace de haute altitude interagissent avec la lumière du soleil et l'atmosphère. Dans cette image de diffraction des rayons X, les cristaux de glace ont diffusé des rayons X pour créer des anneaux concentriques, qui sont une empreinte digitale de l'arrangement moléculaire dans les cristaux. Crédit : Université d'État de l'Ohio.
Dans un article publié dans le Journal des lettres de chimie physique , Wyslouzil, Andrew Amaya, associé de recherche diplômé, et ses collaborateurs décrivent comment ils ont pu créer des gouttelettes d'eau gelées de près de 80 % cubiques.
« Bien que 80 % ne sonnent pas « presque parfait », ' la plupart des chercheurs ne croient plus que 100 pour cent de glace cubique pure est réalisable en laboratoire ou dans la nature, " dit-elle. " Donc la question est, comment cubique pouvons-nous le faire avec la technologie actuelle ? Des expériences antérieures et des simulations informatiques ont observé une glace d'environ 75 pour cent cubique, mais nous avons dépassé cela."
Pour faire la glace très cubique, les chercheurs ont attiré de l'azote et de la vapeur d'eau à travers des buses à des vitesses supersoniques. Lorsque le gaz s'est dilaté, elle s'est refroidie et a formé des gouttelettes cent mille fois plus petites que la moyenne des gouttes de pluie. Ces gouttelettes étaient fortement surfondues, ce qui signifie qu'ils étaient liquides bien en dessous de la température de congélation habituelle de 32 degrés Fahrenheit (0 degrés Celsius). En réalité, les gouttelettes sont restées liquides jusqu'à environ -55 degrés Fahrenheit (environ -48 degrés Celsius), puis ont gelé en environ un millionième de seconde.
Pour mesurer la cubicité de la glace formée dans la buse, les chercheurs ont effectué des expériences de diffraction des rayons X à la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du laboratoire national de l'accélérateur SLAC à Menlo Park, CALIFORNIE. Là, ils ont frappé les gouttelettes avec le laser à rayons X à haute intensité de LCLS et ont enregistré le diagramme de diffraction sur une caméra à rayons X. Ils ont vu des anneaux concentriques à des longueurs d'onde et des intensités qui indiquaient que les cristaux étaient environ 80 pour cent cubiques.
Les températures extrêmement basses et la congélation rapide étaient cruciales pour former de la glace cubique, Wyslouzil a déclaré:"Étant donné que les gouttes d'eau liquide dans les nuages à haute altitude sont généralement surfondues, il y a de bonnes chances que de la glace cubique s'y forme. »
La raison exacte pour laquelle il était possible de fabriquer des cristaux d'environ 80 % de cubicité est actuellement inconnue. Mais, puis encore, exactement comment l'eau gèle au niveau moléculaire est également inconnue.
"Quand l'eau gèle lentement, nous pouvons penser à la glace comme étant construite à partir de molécules d'eau comme on construit un mur de briques, une brique sur l'autre, " a déclaré Claudiu Stan, associé de recherche au Stanford PULSE Institute au SLAC et partenaire du projet. « Mais le gel dans les nuages à haute altitude arrive trop vite pour que ce soit le cas. la congélation pourrait être considérée comme à partir d'un tas de briques désordonné qui se réorganise à la hâte pour former un mur de briques, contenant éventuellement des défauts ou ayant un arrangement inhabituel. Ce type de processus de fabrication de cristal est si rapide et complexe que nous avons besoin d'un équipement sophistiqué juste pour commencer à voir ce qui se passe. Nos recherches sont motivées par l'idée qu'à l'avenir, nous pouvons développer des expériences qui nous permettront de voir les cristaux au fur et à mesure qu'ils se forment."
