Quelle est la taille de la plus petite particule de glace possible ? Ce n'est pas un flocon de neige, mesurant à une fraction énorme de pouce. Selon une nouvelle étude publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences , la plus petite nanogouttelette d'eau dans laquelle la glace peut se former ne mesure que 90 molécules d'eau, soit un dixième de la taille du plus petit virus. A ces petites échelles, selon Valeria Molinero, professeur de chimie et co-auteur de l'étude à l'Université de l'Utah, la transition entre la glace et l'eau devient un peu crépue.

"Quand tu prends un verre d'eau avec des glaçons, vous ne voyez pas l'eau dans le verre devenir toute glace et tout liquide en fonction du temps, " dit-elle. Dans les plus petites nanogouttelettes d'eau, elle dit, c'est exactement ce qui se passe.

Pourquoi « je glace » compte

La transition entre l'eau et la glace fait partie des transformations les plus importantes entre les phases (solides, liquides et gaz) sur notre planète, où il a des effets uniques sur notre climat tout en régulant la viabilité de la vie. Comprendre les conditions qui conduisent à la formation de glace, alors, est une quête active dans des domaines qui englobent les sciences de l'environnement et de la terre, la physique, chimie, biologie et ingénierie.

La glace existe sur Terre presque exclusivement dans la structure cristalline hexagonale hautement ordonnée connue sous le nom de « glace I ». Dans notre atmosphère, de petits amas d'eau se forment et gèlent par la suite, semant de plus gros cristaux et éventuellement des nuages. En raison des effets thermodynamiques concurrents, cependant, en dessous d'un certain diamètre, ces amas d'eau ne peuvent pas former de glace thermodynamiquement stable I. La plage de taille exacte des amas d'eau capables de former de la glace stable I a été étudiée par l'expérience et la théorie pendant des années, les estimations les plus récentes réduisant la plage d'aussi peu que 90 molécules d'eau jusqu'à 400.

Surfusion :faible et lente

Autrefois, un obstacle majeur à l'étude expérimentale de cette limite a été le refroidissement suffisamment lent des amas de liquide en surfusion pour permettre au réseau de glace I de se former correctement. Un refroidissement trop rapide crée des amas de glace amorphe, une phase moins ordonnée. Si les grappes ne sont pas refroidies lentement et uniformément, le résultat est une combinaison non naturelle de phases de glace. Les simulations informatiques de la formation de glace sont également confrontées à leurs propres défis pour reproduire la physique à l'échelle nanométrique et la formation de glace.

Dans la nouvelle étude, chercheurs de l'Université de l'Utah, l'Université de Californie, San Diego, l'Universität Göttingen, les instituts Max Planck pour la recherche et la dynamique du système solaire et l'auto-organisation à Göttingen combinent les progrès récents de la simulation et de l'expérimentation pour démêler l'interaction entre les contraintes qui agissent sur la transition glace-liquide dans des amas de taille nanométrique.

Pour surmonter le problème de refroidissement, l'équipe de Göttingen a utilisé un faisceau moléculaire qui génère des amas d'une taille souhaitée en dilatant initialement un mélange d'eau et d'argon à travers une buse d'environ 60 micromètres de diamètre. Le faisceau résultant est ensuite canalisé à travers trois zones distinctes où la vitesse de refroidissement est abaissée afin de contrôler la formation des amas, atteignant une basse température de 150 K (-123 °C ou -189 °F). Des modèles informatiques de l'eau développés par les équipes de San Diego et de l'Utah ont été utilisés pour simuler les propriétés des nanogouttelettes.

La fin de la glace

En utilisant des signatures spectroscopiques infrarouges pour surveiller la transition vers la glace I dans les amas, les chercheurs ont trouvé un accord prometteur entre les approches expérimentales et théoriques. Les résultats fournissent des preuves solides que la "fin de la glace" se produit lorsque les amas sont d'environ 90 molécules d'eau. A cette taille, les amas n'ont qu'environ 2 nanomètres de diamètre, ou environ un million de fois plus petit qu'un flocon de neige typique.

Francesco Paesani à l'Université de Californie, San Diego explique, "Ce travail relie de manière cohérente les concepts expérimentaux et théoriques pour l'étude des propriétés microscopiques de l'eau des trois dernières décennies, qui peut maintenant être vu dans une perspective commune.

Oscillation inattendue

De façon inattendue, les chercheurs ont découvert à la fois dans la simulation et l'expérience que la coexistence de la glace se comporte différemment dans les grappes de 90 à 150 molécules d'eau du pointu, transition de fusion bien définie que nous connaissons avec de la glace et de l'eau macroscopiques (à grande échelle) se produisant à 0 ° C. Il a été constaté que les amas faisaient plutôt une transition sur une plage de températures et oscillaient dans le temps entre les états liquide et glacé, un effet de leur petite taille qui a été prédit pour la première fois il y a trois décennies, mais manquait de preuves expérimentales jusqu'à présent.

Thomas Zeuch de l'Universität Göttingen note, "Les systèmes macroscopiques n'ont pas de mécanisme analogue; l'eau est soit liquide, soit solide. Ce comportement oscillant semble unique aux amas de cette taille et de cette plage de températures."

"Il n'y a rien de tel que ces oscillations dans notre expérience de la coexistence de phases dans le monde macroscopique!" Molinero ajoute. Dans un verre d'eau, elle dit, la glace et l'eau sont stables et peuvent coexister, quelle que soit la taille des morceaux de glace. Mais dans une nanogouttelette qui contient à la fois du liquide et de la glace, la plupart des molécules d'eau se trouveraient à l'interface entre la glace et l'eau, de sorte que l'ensemble de l'amas diphasique devient instable et oscille entre un solide et un liquide.

Quand la glace devient bizarre

Les amas d'eau de la taille et de la température de l'expérience sont courants dans les objets interstellaires et dans les atmosphères planétaires, y compris le nôtre, dit Molinero. Ils existent aussi dans la mésosphère, une couche atmosphérique au-dessus de la stratosphère.

"Ils peuvent aussi exister sous forme de poches d'eau dans une matrice d'un matériau, y compris dans les cavités des protéines, " elle dit.

Si les transitions oscillatoires pouvaient être contrôlées, Molinero dit, ils pourraient éventuellement former la base d'une nano valve qui permet le passage des matériaux lorsqu'il s'agit d'un liquide et arrête l'écoulement lorsqu'il s'agit d'un solide.

Les résultats vont au-delà de la glace et de l'eau. Molinero dit que les phénomènes à petite échelle devraient se produire pour toute substance aux mêmes échelles. "Dans ce sens, " elle dit, « nos travaux vont au-delà de l'eau et s'intéressent plus généralement à la coda d'une transition de phase, comment il se transforme de pointu en oscillatoire, puis les phases elles-mêmes disparaissent et le système se comporte comme une grosse molécule. »