La glace que nous mélangeons à nos boissons glacées est un composé compliqué, criblé d'étranges incohérences moléculaires que les scientifiques ont encore du mal à comprendre. L'exploration de la physique derrière l'étrange microstructure de la glace d'eau peut nous aider à en apprendre davantage sur d'autres matériaux avancés apparemment sans rapport et leurs états quantiques.

C'est pourquoi Jonathan Morris, professeur assistant de physique à l'Université Xavier, et Joseph Lanier, un étudiant chercheur de premier cycle, travaillent avec l'assistante de recherche postdoctorale Anjana Samarakoon au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) pour sonder un seul cristal d'eau gelée. Spécifiquement, l'équipe veut en savoir plus sur les défauts ioniques, mystérieuses anomalies moléculaires qui apparaissent parfois dans la structure autrement cristalline de la glace. S'ils peuvent déterminer combien d'énergie il faut pour produire ces défauts ioniques, ils peuvent être en mesure d'utiliser ces informations pour créer des modèles permettant de comprendre des incohérences similaires trouvées dans les structures moléculaires d'autres matériaux.

"Nous voulons établir une meilleure compréhension de la physique fondamentale dictant le comportement de la glace d'eau, puis, espérons-le, utiliser ces connaissances pour en savoir plus sur d'autres composés et états de la matière, " dit Morris.

Généralement, la glace se comporte selon un ensemble de directives appelées règles de Bernal-Fowler (également appelées règles de glace), qui peut généralement prédire comment les molécules dans l'eau gelée se comporteront. Par exemple, les règles de Bernal-Fowler stipulent qu'entre deux atomes d'oxygène, il y aura un atome d'hydrogène, et autour de n'importe quel atome d'oxygène, il y aura deux atomes d'hydrogène. Mais la glace réelle n'est pas toujours aussi organisée. Parfois, les molécules d'eau dans la glace se comportent mal, gagner ou perdre des atomes d'hydrogène pour devenir des ions uniques contrairement à aucune de leurs molécules d'eau voisines.

"Au lieu de deux hydrogènes à côté d'un atome d'oxygène individuel, vous pourriez vous retrouver avec trois, ce qui crée un H 3 O ⁺ ion, ou vous pourriez vous retrouver avec un seul hydrogène à côté d'un oxygène, ce qui serait un OH ^- ion. Ces défauts brisent localement les règles de la glace, et nous aimerions comprendre comment et pourquoi ils font cela, " dit Samarakoon.

Morris explique qu'en apprendre davantage sur ces défauts ioniques aiderait les chercheurs à mieux comprendre la physique fondamentale dictant la façon dont la glace fond et réagit aux champs électriques. Cela pourrait également faire la lumière sur des matériaux qui présentent des comportements quantiques, tels que des candidats quantiques de glace de spin, qui ont des arrangements de spin analogues aux atomes d'hydrogène dans la glace d'eau.

"D'un côté, nous sommes vraiment intéressés à en savoir plus sur la glace en particulier parce qu'il y a beaucoup de choses que nous ne savons pas sur sa microstructure. Mais nous nous intéressons également à la glace parce que les types d'incohérences que nous voyons dans sa structure moléculaire sont très similaires aux défauts que nous trouvons dans d'autres matériaux, y compris certains états quantiques, " dit Morris.

Pour mieux comprendre ces défauts de la glace et d'autres matériaux, Morris, Lanier, et Samarakoon ont utilisé le spectromètre à diffusion diffuse élastique (CORELLI) et le spectromètre à large plage angulaire (ARCS) à la source de neutrons de spallation (SNS) de l'ORNL pour sonder un délicat cristal d'oxyde de deutérium congelé - également connu sous le nom de "glace d'eau lourde" - seulement 4 centimètres de long et 8 millimètres de diamètre.

"Nous avons utilisé de l'eau lourde, D2O, parce que ses atomes de deutérium comportent un neutron supplémentaire dans leur noyau par rapport à l'hydrogène ordinaire, ce qui le rend plus facile à observer avec la diffusion des neutrons que H 2 O. Et parce que l'eau lourde et l'eau ordinaire ont des structures atomiques similaires, nous pouvons utiliser ce que nous apprenons sur la glace d'eau lourde pour construire des hypothèses sur la glace d'eau ordinaire, " dit Morris.

Les collaborateurs de Helmholz-Zentrum à Berlin ont produit le cristal, ce qui signifiait qu'il devait être expédié à froid depuis l'Allemagne jusqu'à Oak Ridge. Morris et son équipe ont dû prendre des précautions particulières pour s'assurer qu'il ne fonde pas en plein vol.

« Acheminer cet échantillon de glace de deutérium jusqu'à Oak Ridge était assez difficile. Nous avons dû le conserver dans un conteneur de glace sèche et l'expédier avec un service aérien spécial pour nous assurer qu'il n'était pas accidentellement détruit pendant son voyage. Nous sommes très heureux de notre succès et de l'aide que tout le monde chez ORNL a été au cours de ce processus, " dit Morris.

Les neutrons sont parfaits pour cette expérience. Ils sont profondément pénétrants, permettant à Morris et à son équipe de construire une étude complète de la microstructure interne du cristal de glace et de suivre les signatures énergétiques des molécules d'eau gelées vibrant dans la glace. L'instrument CORELLI au SNS est particulièrement utile pour cette expérience car il permet à Morris de se concentrer spécifiquement sur les événements de diffusion élastique, dans lequel les neutrons sont diffusés par les atomes d'un échantillon sans perdre ni gagner d'énergie. Puis, il peut utiliser l'instrument ARCS à proximité pour mesurer le comportement dynamique, qui complète parfaitement les données statiques que lui et son équipe obtiennent de CORELLI.

« Les événements de diffusion élastique sont vraiment importants pour localiser et étudier les défauts ioniques dans la glace. SNS est unique car nous pouvons non seulement séparer les données de diffusion élastique et inélastique avec CORELLI, mais nous pouvons également vérifier ces résultats en utilisant ARCS. Cela rend la réalisation de notre expérience tellement plus facile, " dit Morris.

Morris, Lanier, et Samarakoon espèrent que les informations qu'ils recueillent à partir de ces expériences aideront non seulement les scientifiques à mieux comprendre la glace d'eau, mais contribueront également à une meilleure compréhension d'autres matériaux.

"La glace est une matière fascinante, et ce que nous apprenons sur ses défauts ioniques ici à l'ORNL pourrait nous aider à apporter une contribution significative à la science des matériaux dans son ensemble, " dit Lanier.