L'eau a de nombreuses phases de glace qui se forment sous différentes conditions de pression et de température. Les effets de la pression positive ont été largement explorés, avec des résultats quelque peu prévisibles :à mesure que la pression augmente, la densité de la glace aussi.

On en sait beaucoup moins, cependant, sur les effets d'une pression négative extrême sur les molécules d'eau. Exploration d'une région importante de pression négative grâce à des simulations de dynamique moléculaire, les chercheurs ont maintenant découvert théoriquement une nouvelle famille de phases de glace. Appelé aeroices, ces glaces ont la densité la plus faible de tous les cristaux de glace connus. Les chercheurs, de l'Université d'Okayama au Japon, rapportent leurs conclusions cette semaine dans Le Journal de Physique Chimique .

"Notre recherche, qui surveille pour la première fois toute une région de dépression, fournit un tremplin important dans l'exploration de ce territoire vaste et complexe sur le diagramme de phase, " dit Masakazu Matsumoto, professeur agrégé à l'Institut de recherche pour les sciences interdisciplinaires de l'Université d'Okayama et co-auteur de l'article. "Les glaces de densité inférieure à la glace normale sont également multiples [de nombreuses sortes]."

La découverte devrait accélérer la compréhension des propriétés fondamentales et du comportement de l'eau dans les nanotubes et autres nanopores, ainsi que dans les biomolécules.

Dix-sept phases de glace ont été trouvées expérimentalement, chacun numéroté dans l'ordre de sa découverte. Seules deux glaces ont une densité inférieure à la glace normale.

En 2014, une équipe de recherche a découvert une phase de glace qui se forme sous pression négative :la glace XVI. Les molécules de la glace forment une structure zéolitique, une cage cristalline 3-D, dans lequel des molécules ou des atomes invités sont piégés à l'intérieur. Les molécules invitées (les particules de néon dans ce cas) ont été supprimées, résultant en une écurie, glace de densité ultra-faible à des pressions négatives élevées. En utilisant une technique similaire, un autre groupe de chercheurs a découvert la glace XVII en 2016.

Les chercheurs de l'Université d'Okayama ont cartographié toutes les phases de glace possibles qui pourraient encore être explorées dans la région de pression négative. Sachant que la structure de la silice (SiO2) et de la glace sont communes, ils ont récupéré 200 zéolites de silice dans la base de données des zéolites, qui est administré par l'International Zeolite Association. Plus de 300 structures ont été évaluées au total.

Les chercheurs ont réarrangé les atomes dans la structure SiO2, enlever les deux atomes d'oxygène et remplacer l'atome de silicium dans chaque molécule par un atome d'oxygène. Puis, les atomes d'hydrogène ont été ajoutés pour que la structure obéisse à la règle de la glace.

Dans la plage de densité qui n'est qu'environ la moitié de celle de l'eau liquide (~0,5 g/cm^3), les chercheurs ont montré que la phase de glace nouvellement découverte est plus stable que n'importe quelle glace de zéolite étudiée jusqu'à présent. Les chercheurs ont simulé des structures de glace encore moins denses - entre 0 et 0,5 gramme par centimètre cube - en ajoutant des blocs de construction polyédriques aux cadres zéolithiques pour rendre la structure plus clairsemée tout en respectant la règle structurelle de la glace.

"Ces nouvelles structures sont les aéroices, " dit Matsumoto, "et ils peuvent être plus stables que n'importe quelle glace zéolitique dans certaines conditions thermodynamiques sous pression négative."