Les propriétés complexes de l'eau et de la glace ne sont pas bien comprises, mais une équipe de l'UCL et de l'ISIS Neutron and Muon Source ont révélé de nouvelles informations sur une phase de glace appelée glace II.

Étant donné que l'eau représente 60% de notre corps et est l'une des molécules les plus abondantes de l'univers, il n'est pas étonnant que l'eau soit connue comme la « matrice de la vie ».

Il existe de nombreuses formes différentes de glace – qui varient toutes considérablement de la glace que vous trouverez dans votre congélateur. La glace prend de nombreuses formes différentes selon la pression à laquelle elle s'est développée.

Au fur et à mesure que l'eau gèle, ses molécules se réorganisent, et une pression élevée amène les molécules à se réarranger de différentes manières qu'elles ne le feraient normalement. Les nombreuses phases distinctes de la glace peuvent être résumées à l'aide d'un diagramme de phases, qui montre les états physiques préférés de la matière à différentes températures et pressions.

Des chercheurs de l'UCL et du Science and Technology Facilities Council (STFC) ISIS Neutron and Muon Source ont utilisé la diffraction de neutrons à haute pression pour étudier l'impact des impuretés de fluorure d'ammonium sur le diagramme de phase de l'eau.

Leurs résultats surprenants, Publié dans Physique de la nature , trouvé l'ajout de cette impureté a provoqué une phase particulière de glace, connu sous le nom de glace II, disparaître complètement du diagramme de phases de l'eau alors que les autres phases n'étaient pas affectées.

Les nombreuses phases différentes de la glace peuvent être regroupées en l'un des deux types suivants :les phases ordonnées par l'hydrogène et les phases désordonnées par l'hydrogène. Dans ces différentes phases, l'orientation des molécules d'eau est soit bien définie, soit désordonnée.

La glace II est une phase de glace ordonnée par l'hydrogène qui se forme dans des conditions de haute pression. Contrairement aux autres phases de la glace, la glace II reste thermodynamiquement stable et ordonnée à l'hydrogène jusqu'à des températures très élevées et l'origine de ce résultat anormal n'est pas bien comprise.

Grâce à la diffraction des neutrons, le groupe a révélé les propriétés très particulières de la glace II. Le diffractomètre de neutrons haute pression PEARL à la source de neutrons et de muons ISIS est optimisé pour les études de diffraction jusqu'à 20 GPa, bien qu'ici les échantillons n'aient été exposés qu'à 0,3 GPa. Même si cela est bien en deçà de la pleine capacité de l'instrument, 0,3 GPa équivaut toujours à 3 tonnes d'appui sur un seul ongle.

Pour les mesures de diffraction des neutrons, des échantillons de glace au sol ont été placés à l'intérieur d'une boîte en titane-zirconium, que les neutrons pénètrent facilement. L'extrême pression sur PEARL a été générée à l'aide d'un compresseur à gaz rempli d'argon. PEARL permet d'effectuer des mesures de diffraction des neutrons en pression in-situ, qui étaient indispensables à cette recherche.

"Sans la diffraction des neutrons in situ, nous n'aurions pas pu réaliser cette étude. Il était primordial de démontrer que la glace II a disparu dans la région du diagramme de phase où elle existerait normalement, " a déclaré le Dr Christoph G. Salzmann (UCL Chimie).

En plus de collecter des données de diffraction des neutrons à haute pression, les chercheurs ont également utilisé des méthodes informatiques pour obtenir des informations très importantes. Ils ont découvert que le dopage de la glace II avec de petites quantités de fluorure d'ammonium faisait disparaître complètement cette phase particulière de la glace, alors que les phases concurrentes de la glace n'ont pas été affectées. Cette observation a permis aux chercheurs de déduire des informations importantes sur les propriétés très inhabituelles de la glace II.

« Contrairement aux autres phases, glace II est topologiquement contrainte. Cela signifie que les molécules d'eau dans la glace II interagissent les unes avec les autres sur de très longues distances. Dans un sens, quoi qu'il arrive à une molécule d'eau dans un cristal de glace II, l'effet est « ressenti » par toutes les autres molécules. Dans notre étude, la glace II subit une perturbation par le fluorure d'ammonium qui déstabilise la totalité de la glace II et la fait disparaître, " a ajouté le Dr Salzmann.

La connaissance de cet effet sera importante pour toute étude où la glace coexiste avec d'autres matériaux dans la nature, par exemple sur les lunes glacées. En outre, les propriétés particulières de la glace II fournissent une nouvelle explication pour laquelle le diagramme de phase de l'eau présente tant d'anomalies, y compris l'eau liquide. Ces résultats peuvent également ouvrir des études sur de nouvelles phases de la glace. Si les dopants ont la capacité de supprimer certaines phases de glace, cela suggère qu'ils peuvent également induire la formation de nouvelles phases de glace.

Intérêt pour la « matrice de la vie, " et ses nombreuses phases de glace, ne montre certainement aucun signe d'hésitation. Avec la diffraction des neutrons à haute pression permettant l'étude des environnements extrême pression d'une manière qu'aucune autre technique ne peut, nous sommes susceptibles de revoir l'équipe à l'installation à la recherche de nouvelles phases de glace.