Une substance fascinante aux propriétés uniques, la glace a intrigué les humains depuis des temps immémoriaux. Contrairement à la plupart des autres matériaux, la glace à très basse température n'est pas aussi ordonnée qu'elle pourrait l'être. Une collaboration entre la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA), le Centre International Abdus Salam de Physique Théorique (ICTP), l'Institut de Physique Rosario (IFIR-UNR), avec le soutien de l'Istituto Officina dei Materiali du Conseil national italien de la recherche (CNR-IOM), fait de nouvelles avancées théoriques sur les raisons pour lesquelles cela se produit et sur la manière dont une partie de l'ordre manquant peut être récupérée. Dans cet état ordonné, l'équipe de scientifiques a décrit une propriété relativement obscure et pourtant fondamentale de la glace à très basse température :la ferroélectricité. Les résultats, Publié dans PNAS , sont susceptibles de s'étendre aux surfaces de glace, une possibilité qui pourrait être pertinente à l'agglomération de particules de glace dans l'espace interstellaire.

"Dans un morceau de glace idéalement ordonné, les atomes d'hydrogène de chaque molécule d'eau doivent pointer dans la même direction, comme des soldats dans un peloton regardant devant eux, " explique Alessandro Laio, physicien de SISSA et de l'ICTP. « Si tel était le cas, la glace présenterait une polarisation électrique macroscopique, elle serait ferroélectrique. Au lieu, molécules d'eau dans la glace, même à très basse température, se comporter comme des soldats indisciplinés, et tous regardent dans des directions différentes."

Ce comportement anormal, découvert expérimentalement dans les années 1930, a été immédiatement et célèbre expliqué par Linus Pauling :le manque de discipline est un effet de la contrainte de « règle des glaces » - chaque atome d'oxygène devrait à tout moment posséder deux et seulement deux protons pour le rendre H 2 O. La cinétique difficile créée par cette contrainte rend le processus de commande infiniment lent, comme dans un peloton où chaque soldat avait quatre voisins et devait garder deux mains sur les épaules de deux d'entre eux.

"S'il n'y avait pas d'impuretés ou de défauts, qui s'est avérée jouer un rôle révélateur, on ne saurait encore aujourd'hui si l'ordre des protons et la ferroélectricité de la glace cristalline en vrac sont une possibilité réelle ou le fruit de l'imagination, puisque ni les expériences ni les simulations n'ont pu surmonter le ralentissement cinétique généré par les règles de glace, " précise Erio Tosatti, physicien de SISSA, ICTP et CNR-IOM Démocrites.

impuretés, comme un KOH remplaçant H 2 , sont en effet connus pour permettre au processus d'ordonnancement de se nucléer et à la glace de devenir ordonnée et ferroélectrique à très basse température, bien que partiellement et lentement. Encore une fois, la « règle des glaces » était soupçonnée d'être à l'origine de la lenteur de ce processus, mais exactement comment cela fonctionnait n'était pas vraiment connu.

Avec Jorge Lasave et Sergio Koval de l'IFIR-UNR en Argentine, tous deux membres associés du CIPT, Alessandro Laio et Erio Tosatti ont conçu un modèle théorique et une stratégie pour expliquer le comportement de la glace pure et dopée.

« Selon ce modèle, " expliquent les scientifiques, "une fois qu'une impureté est introduite à l'intérieur d'un état désordonné initial à basse température de non-équilibre, il agit comme une semence pour la phase ordonnée, mais d'une manière particulière :tous les « soldats » autour de l'impureté ne commencent pas à regarder dans la bonne direction, mais seulement ceux devant ou derrière l'impureté. Ainsi, à la fin du processus, seule une chaîne de soldats à l'intérieur du peloton sera ordonnée. » Ce processus très atypique présente de nombreuses caractéristiques qui peuvent expliquer l'apparition lente et incomplète de l'ordre ferroélectrique dans la vraie glace dopée.

"Bien que l'étude se limite pour l'instant à la glace en vrac, " Tosatti et Laio concluent, "le mécanisme mis en évidence est susceptible de s'étendre aux surfaces de glace, où des chaînes de protons ordonnés pourraient nucléer à basse température, expliquant une petite quantité connue depuis longtemps de polarisation ferroélectrique locale, un phénomène également mentionné comme pouvant être lié à l'agglomération de particules de glace dans l'espace interstellaire."