Une équipe de chimistes a découvert de nouvelles façons dont l'eau gelée réagit aux changements de température pour produire de nouvelles formations. Ses résultats ont des implications pour la recherche sur le climat ainsi que pour d'autres processus impliquant la formation de glace, de la conservation des aliments à l'agriculture.

"Le gel et la fonte de la glace sont parmi les événements les plus courants sur Terre, " explique Michael Ward, professeur de chimie à l'Université de New York et l'un des co-auteurs de l'article, qui paraît dans le journal Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ). "Ces processus sont étonnamment complexes, cependant, et ne sont pas bien compris en raison du nombre de variables impliquées. Nos résultats révèlent des propriétés dynamiques inhabituelles des surfaces de glace en contact avec de l'eau liquide lorsque les compositions isotopiques du solide et du liquide diffèrent."

Les autres auteurs de l'article incluent Ran Drori, un professeur assistant à l'Université Yeshiva; Miranda Holmes Cerfon, professeur adjoint au Courant Institute of Mathematical Sciences de NYU; Bart Kahr, professeur au département de chimie de NYU; et Robert Kohn, professeur au Courant Institute de NYU.

Comprendre la dynamique de la cristallisation de la glace, également connue sous le nom de formation de la glace, est essentiel non seulement pour la recherche sur le climat, mais aussi dans plusieurs industries :atténuation des dégâts du gel dans l'agriculture et la construction, optimiser la conservation des aliments, et comprendre son impact sur les routes, pistes, et des rails.

Dans le PNAS étudier, les chercheurs se sont concentrés sur de multiples formes d'eau, et, en particulier, eau contenant différents isotopes de l'hydrogène - leurs différences dans le nombre de neutrons produisent des distinctions dans la masse atomique. Ces formes comprenaient la lumière, ou "normale, " eau (H2O) et " eau lourde " (D2O), le deutérium (D) augmentant la masse d'eau par rapport à l'eau normale.

On sait depuis longtemps que différents isotopes confèrent des propriétés différentes à ces types d'eau distincts, notamment des points de fusion différents. H2O commence à fondre à zéro degré centigrade (32 degrés Fahrenheit) tandis que D2O le fait à 3,8 degrés centigrades (près de 39 degrés Fahrenheit).

La variation du point de fusion est significative. Par exemple, Les carottes de glace de l'Antarctique ou du Groenland sont composées à la fois de H2O et de D2O. Par conséquent, ils étaient gelés, et fondre, à différentes températures. Cette propriété est utilisée pour estimer les températures mondiales au cours des derniers millénaires.

Cela soulève la question sur laquelle les chercheurs se sont concentrés :que se passe-t-il lorsque des types d'eau ayant des points de congélation et de fusion différents interagissent ?

Ici, les scientifiques ont découvert que, dans des conditions où la température était contrôlée avec précision, la surface d'un cristal de D2O en contact avec H2O liquide a pris un aspect festonné, avec ces caractéristiques « ondulantes » oscillant pendant des heures.

Bien que l'équipe de NYU n'ait pas pu simuler tous les aspects des caractéristiques oscillantes, ils ont spéculé qu'ils reflètent une gamme de phénomènes :une interaction complexe d'échange d'eau légère contre de l'eau lourde dans le cristal, de légères différences de température de fusion le long de l'interface festonnée, et le transfert de chaleur le long de la surface de glace festonnée en forme de vague.

"Si ces processus peuvent être complètement démêlés, cela peut faire progresser notre compréhension des propriétés de la glace qui sont importantes dans de nombreux domaines, y compris la recherche sur le climat, dommages dus au gel dans l'agriculture et la construction, dynamique glaciaire, et conservation des aliments, " observe Ward.