Une nouvelle étude remet en question l'idée que la structure atomique du verre est indiscernable de celle d'un liquide, du moins pour un certain type de verre appelé « glace amorphe » qui se forme lorsque l'eau est refroidie à très basse température.

Dans l'étude, des chercheurs de l'Université de Princeton et de l'Université de la ville de New York ont ​​utilisé des simulations informatiques pour montrer que les molécules d'eau dans la glace amorphe sont disposées dans un ordre non détecté auparavant, que le liquide d'origine ne contenait pas. La découverte, publié le 29 septembre dans la revue Lettres d'examen physique , peut aider à expliquer la curiosité de l'eau, propriétés vivifiantes. Il remet également en question la définition même de ce que signifie être un verre.

Les verres sont généralement fabriqués en refroidissant rapidement un liquide, et, selon la compréhension actuelle, un verre hérite de l'ordre qui était présent dans le liquide d'origine. Dans le cas de la glace amorphe, cependant, à mesure que l'eau liquide se refroidit, un nouvel arrangement ordonné de molécules émerge.

« D'après nos résultats, ces types de verre ne sont pas simplement des liquides congelés - cette image ne tient plus, " dit Fausto Martelli, chercheur associé au département de chimie de Princeton. "Nous disons essentiellement qu'une notion à laquelle les scientifiques croient depuis de nombreuses années est partiellement fausse."

Avant cette étude, les chercheurs savaient que la congélation rapide de l'eau, qui peut se produire aux températures extrêmement froides trouvées dans l'espace extra-atmosphérique, conduit à la formation d'un matériau très différent de la glace de l'expérience quotidienne. Ce materiel, connue sous le nom de glace amorphe, manque de la structure cristalline très ordonnée de la glace régulière, conduisant les scientifiques à le classer comme un verre, un liquide dont le mouvement a ralenti à un rythme glacial. Les glaces amorphes ne sont pas courantes sur Terre, mais ils sont la forme d'eau la plus abondante dans l'univers.

La nouvelle étude a révélé que les molécules de ces glaces amorphes s'organisent selon un modèle interne auparavant non détecté. Ce modèle, connu sous le nom d'hyperuniformité désordonnée, est défini comme un ordre sur de grandes distances spatiales, même lorsqu'il n'y a pas d'ordre sur de courtes distances. Les matériaux hyperuniformes désordonnés se situent quelque part entre un cristal, qui est très organisé sur de longues distances, et un liquide, qui n'est commandé que sur de courtes distances.

"L'existence de ces corrélations structurelles à grande échelle n'a pas été pleinement appréciée, et c'est vraiment ce que nous voulions aborder dans cette étude, " a déclaré le co-auteur de l'étude Salvatore Torquato, un professeur de chimie qui, avec le scientifique principal de Princeton, Frank Stillinger, a identifié pour la première fois une hyperuniformité il y a plus de dix ans ( Examen physique E , 2003). "Les informations présentes dans ces systèmes sont assez frappantes, et conduit à de toutes nouvelles connaissances sur les matériaux, ", a-t-il déclaré. Lui et ses collègues ont depuis identifié une hyperuniformité dans un certain nombre d'endroits, y compris la disposition des cellules dans l'œil d'un poulet ( Examen physique E , 2014).

Outre Martelli et Torquato, les auteurs de l'étude comprenaient Roberto Car, Professeur Ralph W. Dornte de Princeton en chimie, et Nicolas Giovambattista, professeur agrégé au Brooklyn College-The City University of New York. Torquato et Car sont associés au Princeton Institute for the Science and Technology of Materials.

Pour explorer la structure interne des glaces amorphes, Martelli a utilisé un modèle informatique qui suit le comportement de plus de 8, 000 molécules d'eau pour simuler ce qui se passerait s'il refroidissait l'eau à environ 80 degrés Kelvin (environ -316 degrés Fahrenheit). A cette température, les molécules d'eau sont tellement privées de chaleur qu'elles ne peuvent plus se déplacer d'un endroit à l'autre, ni tourner en place. A cette température et en dessous, les chercheurs ont observé le motif hyperuniforme émerger dans les données de la simulation informatique.

"Nous ne sommes pas habitués à chercher de l'ordre sur de si grandes échelles de longueur, " dit Martelli. " Cependant, les mathématiques nous permettent de faire la lumière sur des modèles que nos yeux ne sont pas capables de voir."

Les simulations ont nécessité des mois de temps sur des ordinateurs de recherche haute performance, y compris les clusters TIGRESS de l'Université de Princeton par l'intermédiaire du Princeton Institute for Computational Science and Engineering.

La simulation a permis aux chercheurs de se poser des questions sur la nature de l'eau, qui a de nombreux comportements anormaux qui le rendent particulièrement adapté pour soutenir la vie. Une telle anomalie est que la forme cristalline de la glace est moins dense que l'eau liquide, laisser flotter la glace, qui à son tour permet à la vie d'exister sous la glace dans les lacs et les océans.

Une explication possible des anomalies de l'eau est que, à des températures très froides, l'eau peut se présenter sous deux phases liquides, l'une plus dense que l'autre, plutôt que sous un seul état liquide qui nous est familier. La détection de la transition de l'eau entre les formes à haute densité et à faible densité s'est avérée insaisissable en raison de défis techniques.

La présente étude apporte un soutien indirect à l'existence des deux formes, au moins dans les simulations informatiques. Giovambattista a simulé l'application d'une haute pression au modèle et a observé que la pression convertissait la forme à faible densité de la glace amorphe en une forme à haute densité. La transition entre les deux formes de glace amorphe est cohérente avec l'existence de deux formes liquides d'eau.

La compréhension de l'ordre à longue distance présent dans les matériaux amorphes est un domaine d'étude actif car l'exploitation de l'hyperuniformité pourrait conduire à des applications pratiques. L'hyperuniformité présente dans le silicium amorphe peut permettre de nouvelles façons d'ajuster les propriétés électroniques. La capacité de manipuler l'ordre hyperuniforme à longue distance d'un matériau peut aider les scientifiques à construire des céramiques plus solides ou des verres plus durables.

Les glaces amorphes peuvent être produites en laboratoire, Martelli a dit, et il peut être possible de trouver des preuves d'hyperuniformité dans ces expériences.