Des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge qui étudient les états d'eau ultra-froide ont découvert une voie vers la formation inattendue d'eau dense, phases cristallines de la glace qui existent au-delà des limites de la Terre. Leurs découvertes, rapporté dans Nature, remettre en question les théories acceptées et pourrait conduire à une meilleure compréhension de la glace trouvée sur d'autres planètes, lunes et ailleurs dans l'espace. Crédit :Jill Hemman/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Grâce à une expérience conçue pour créer un état d'eau ultra-froide, des scientifiques du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont utilisé la diffusion des neutrons pour découvrir une voie menant à la formation inattendue de particules denses, phases cristallines de la glace qui existent au-delà des limites de la Terre.
Observation de ces phases cristallines particulières de la glace, connu sous le nom de glace IX, glace XV et glace VIII, remet en question les théories acceptées sur l'eau surfondue et amorphe, ou non cristallin, la glace. Les découvertes des chercheurs, rapporté dans le journal La nature , conduira également à une meilleure compréhension de base de la glace et de ses différentes phases trouvées sur d'autres planètes et lunes et ailleurs dans l'espace.
"L'hydrogène et l'oxygène sont parmi les éléments les plus abondants dans l'univers, et le composé moléculaire le plus simple des deux, H
Sur Terre, lorsque les molécules d'eau atteignent zéro degré Celsius, ils entrent dans un état d'énergie inférieur et se déposent sur un réseau cristallin hexagonal. Cette forme gelée est notée glace Ih, la phase la plus courante de l'eau que l'on peut trouver dans les congélateurs ménagers ou dans les patinoires.
Glace IX, glace XV et glace VIII sont trois des au moins 17 phases de glace réalisées lorsque les molécules se réorganisent en une structure cristalline stable à des températures très basses et à des pressions très élevées, conditions qui ne se produisent pas naturellement sur Terre.
"Au fur et à mesure que la glace change de phase, c'est similaire à l'eau qui passe d'un gaz à un liquide à un solide, sauf à basse température et à haute pression - la glace se transforme en différentes formes solides, " dit Tulk.
Chaque phase de glace connue est caractérisée par sa structure cristalline unique dans sa plage de stabilité pression-température, où les molécules atteignent l'équilibre et les molécules d'eau présentent un motif tridimensionnel régulier, et la structure devient stable.
Initialement, Tulk et ses collègues du Conseil national de recherches du Canada et de l'Université de Californie à Los Angeles exploraient la nature structurelle de la glace amorphe - un état de glace qui se forme sans structure cristalline ordonnée - alors qu'elle recristallise à des pressions encore plus élevées.
Pour faire de la glace amorphe, les scientifiques congèlent de l'eau dans un appareil à haute pression qui est refroidi à moins 173 degrés Celsius et pressurisé à environ 10, 000 atmosphères, ou 147, 000 livres par pouce carré (les pneus de voiture sont gonflés à environ 32 livres par pouce carré).
« On pense que ce type de glace amorphe est lié à l'eau liquide, et comprendre que ce lien était l'objectif initial de cette étude, " dit Tulk.
De nouvelles simulations suggèrent que le carbone (C) lié régulièrement au fer (Fe), du silicium (Si) et de l'oxygène (O) au plus profond de l'océan magmatique qui recouvrait la Terre lorsqu'elle était jeune. Ces molécules lourdes auraient fini par couler au cœur de la planète, faisant allusion à des réserves cachées de carbone au centre de notre planète. Crédit :Natalia Solomatova/École Normale Supérieure de Lyon
À la source de neutrons de spallation de l'ORNL, l'équipe a gelé une sphère de trois millimètres, ou environ une demi-goutte, d'eau deutérée, qui a un neutron supplémentaire dans le noyau d'hydrogène nécessaire pour l'analyse de diffusion des neutrons. Puis, ils ont programmé les Neutrons de Spallation et la Pression, ou SNAP, diffractomètre à moins 173 degrés C. L'instrument a augmenté la pression progressivement toutes les deux heures jusqu'à 411, 000 livres par pouce carré, ou environ 28, 000 atmosphères tout en collectant les données de diffusion des neutrons entre chaque montée en pression.
« Une fois que nous avons atteint la glace amorphe, nous avons prévu d'augmenter la température et la pression et d'observer l'ordre moléculaire local lorsque la glace amorphe "fond" en un liquide en surfusion puis recristallise, " dit Tulk. Cependant, après analyse des données, ils ont été surpris d'apprendre qu'ils n'avaient pas créé de glace amorphe, mais plutôt une séquence de transformations cristallines à travers quatre phases de glace de densité toujours croissante :de la glace Ih à la glace IX à la glace XV à la glace XIII. Il n'y avait aucune trace de glace amorphe.
"J'ai toujours fabriqué beaucoup de ces échantillons en compressant de la glace à basse température, " a déclaré le co-auteur Dennis Klug du Conseil national de recherches du Canada, le laboratoire qui a découvert à l'origine l'amorphisation de la glace induite par la pression en 1984. "Je n'avais jamais vu auparavant ce chemin pression-température aboutir à une série de formes cristallines comme celle-ci."
"Si les données de notre expérience étaient vraies, cela signifierait que la glace amorphe n'est pas liée à l'eau liquide mais est plutôt une transformation interrompue entre deux phases cristallines, un écart majeur par rapport à la théorie largement acceptée, " ajouta Klug.
En premier, l'équipe pensait que leur observation était le résultat d'un échantillon contaminé.
Trois autres expériences avec un frais, des échantillons soigneusement manipulés sur SNAP ont produit des résultats identiques, reconfirmer la séquence de transformation structurelle sans formation de glace amorphe.
La clé était le faible taux d'augmentation de la pression et la collecte de données à une pression plus basse qui ont permis à la structure de la glace de se détendre et de devenir la forme stable de la glace IX. Les expériences précédentes sont rapidement passées sur la structure de glace IX sans relaxation, cela a abouti à la phase amorphe.
Depuis 35 ans, les scientifiques ont étudié les propriétés de l'eau ultra-froide et recherché ce qu'on appelle le deuxième point critique, qui est enfoui dans les phases de glace solide. Mais ces résultats remettent en cause son existence même. "La relation entre la glace amorphe induite par la pression et l'eau est maintenant mise en doute, et le deuxième point critique peut même ne pas exister, " dit Tulk.
"Les résultats de cet article constitueront la base de l'analyse des futures études des phases de glace amorphe lors des prochaines expériences menées au SNS, " il ajouta.
Co-auteurs de l'étude intitulée, « Absence de formes amorphes lorsque la glace est comprimée à basse température, " comprenait Chris A. Tulk et Jamie J. Molaison de l'ORNL; Adam Makhluf et Craig E. Manning de l'UCLA; et Dennis D. Klug du CNRC du Canada.
