Au plus profond de la Terre existent des poches d'eau, mais le liquide là-bas n'est pas comme l'eau à la surface.

Lorsqu'ils sont exposés à des températures et des pressions incroyablement élevées, l'eau présente toutes sortes de phases et de propriétés étranges, de rester un liquide à des températures 10 fois plus élevées que le point d'ébullition à exister en tant que liquide et solide en même temps.

Ce monde étrange n'est pas encore entièrement compris, mais une équipe de scientifiques de l'Université de Chicago a effectué des simulations quantiques pour développer un nouveau modèle du comportement de l'eau à des températures et des pressions extrêmement élevées. Les mesures de calcul, publié le 18 juin dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , devrait aider les scientifiques à comprendre le rôle de l'eau dans la constitution du manteau et potentiellement dans d'autres planètes.

"La physique subtile au niveau moléculaire peut avoir un impact sur les propriétés de la matière au plus profond des planètes, " a déclaré Viktor Rozsa, un étudiant diplômé UChicago et premier auteur de l'article. "La façon dont l'eau réagit et transporte la charge à l'échelle moléculaire affecte notre compréhension des phénomènes allant du mouvement du magma, l'eau et d'autres fluides au champ magnétique de la planète entière."

Dans les conditions considérées dans l'étude - plus de 40 fois plus chaudes que nos conditions quotidiennes et 100, 000 fois supérieure à la pression atmosphérique :l'eau se déchire régulièrement et reforme ses propres liaisons chimiques. Le résultat est qu'il peut interagir très différemment avec d'autres minéraux qu'il ne le fait à la surface de la terre.

Les scientifiques tentent de déterminer exactement comment ces atomes interagissent depuis des décennies :il est extrêmement difficile de tester expérimentalement, car l'eau peut réagir avec l'instrument lui-même. « Il est surprenant de constater à quel point nous en savons peu sur l'eau sous la croûte, " a déclaré l'auteur principal Giulia Galli, le professeur de la famille Liew de génie moléculaire et professeur de chimie à UChicago et chercheur principal au Laboratoire national d'Argonne.

Mais l'eau dans ces conditions existe dans tout le manteau - il est possible qu'il y ait plus d'eau distribuée à l'intérieur de la Terre qu'il n'y en a dans les océans - et les scientifiques aimeraient savoir exactement comment elle se comporte afin de comprendre son rôle sur la Terre et comment elle se déplace à travers le manteau.

Le groupe de Galli a construit un modèle en effectuant des simulations de mécanique quantique d'un petit ensemble de molécules d'eau à des pressions et des températures extrêmement élevées, de l'ordre de ce dont vous avez besoin pour synthétiser un diamant.

Leur modèle, construit à l'aide de simulations réalisées au Research Computing Center d'UCicago, fournit une explication pour certaines des propriétés les plus mystérieuses de l'eau à de telles pressions, comme le lien entre une conductivité étrangement élevée et la façon dont ses molécules se dissocient et se réassocient.

Il prédit et analyse également un ensemble controversé de mesures appelées signatures spectroscopiques vibrationnelles de l'eau, ou les empreintes digitales du mouvement moléculaire qui décrivent comment les molécules interagissent et se déplacent.

En plus d'approfondir la compréhension de notre propre planète, Galli a dit, "la capacité de faire le genre de simulations effectuées dans notre article pourrait avoir des conséquences importantes sur la modélisation des exoplanètes." De nombreux scientifiques, y compris ceux de UChicago, réduisent les conditions pour les planètes lointaines qui pourraient avoir les conditions pour créer la vie, et une grande partie de cette recherche tourne autour de l'eau.

Galli est membre de l'équipe de recherche sur le thème de l'eau de l'Institute for Molecular Engineering, dirigé par James Skinner, le Crown Family Professor of Molecular Engineering. L'équipe cherche à comprendre le physique, manifestations chimiques et biologiques de l'eau, et développer des applications à partir de filtres de purification innovants, aux nouveaux matériaux pour le dessalement et la récupération des ions lithium, à de nouveaux catalyseurs pour la chimie de l'eau et la désinfection.

Alors que l'eau est partout et intensément importante pour nous, Galli a dit, il est notoirement difficile à simuler et à étudier :« C'est une étape dans le long voyage vers la compréhension.