Cellules à eau cibles pour les expériences Omega. L'eau est injectée dans la cellule à l'aide des tubes de remplissage insérés en haut. Crédit :Carol Davis/LLNL
De nouvelles recherches impliquant des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) montrent que l'eau peut rester liquide dans un état métastable lors de la transition de liquide à une forme dense de glace à des pressions plus élevées que celles mesurées précédemment.
L'eau dans des conditions extrêmes a récemment attiré l'attention en raison de son diagramme de phase complexe, y compris les phases de glace superioniques ayant des propriétés exotiques qui existent à des pressions et densités élevées. À ce jour, 20 phases cristallines uniques de glace ont été trouvées naturellement sur Terre ou en laboratoire. L'eau présente également des phénomènes métastables bizarres lorsqu'elle est comprimée ou refroidie très rapidement, qui ont suscité l'intérêt des physiciens du monde entier pendant de nombreuses années.
« Si l'eau est comprimée très rapidement, il restera liquide dans un état métastable jusqu'à finalement cristalliser en glace VII à une pression plus élevée que prévu, " a déclaré Michelle Marshall, chercheur au Laboratoire d'Energétique Laser (LLE) de l'Université de Rochester, un ancien post-doctorant LLNL et auteur principal de l'étude publiée dans Lettres d'examen physique .
Ice VII est le polymorphe stable de l'eau à température ambiante et à des pressions dépassant ∼2 GPa (plus de 19, 000 atmosphères]. Récemment, la glace VII a été trouvée naturellement sur Terre pour la première fois sous forme d'inclusions dans des diamants provenant des profondeurs du manteau. Il peut exister à l'intérieur des lunes glacées de Jupiter et dans des mondes aquatiques au-delà de notre système solaire.
La nouvelle recherche a montré comment l'eau peut rester liquide dans un état métastable lors de la transition liquide-glace-VII à des pressions plus élevées que celles mesurées précédemment. Des travaux expérimentaux antérieurs à l'installation géante à puissance pulsée Z ont montré que l'eau comprimée se transforme en glace VII à 7 GPa (69, 000 atmosphères) lorsque l'eau est compressée en rampe sur des centaines de nanosecondes. Les nouvelles expériences se sont plutôt tournées vers l'utilisation de lasers à haute puissance à l'installation laser Omega pour comprimer l'eau sur des échelles de temps encore plus courtes (nanosecondes).
Image intégrée dans le temps d'un tir laser à l'installation laser Omega pour étudier la transition de phase liquide à glace VII dans de l'eau comprimée par rampe. Crédit :Eugene Kowaluk/LLE
Tout comme dans les précédents travaux du LLNL sur l'or (Au) et le platine (Pt), le plus difficile est de comprimer l'eau assez doucement pour éviter de former une onde de choc qui ruinerait l'expérience (c'est-à-dire réaliser une compression de rampe sans choc). Parce que l'eau est beaucoup plus compressible que les métaux comme Au et Pt, la création d'une onde de compression en rampe dans une couche d'eau micrométrique nécessite d'augmenter la charge de pression à un rythme beaucoup plus lent.
« Même si les pressions que nous atteignons semblent très modestes par rapport à d'autres expériences de compression dynamique ultrarapide au laser, ces expériences extrêmement difficiles sont vraiment à la frontière de ce que l'on peut faire avec des lasers géants, et c'était un défi passionnant, " a déclaré le scientifique et co-auteur du LLNL Marius Millot.
Les nouvelles données révèlent que l'eau peut rester liquide jusqu'à au moins 8-9 GPa (79, 000-89, 000 atmosphères) avant de cristalliser en glace VII :la pression de congélation augmente avec le taux de compression.
"Cela signifie que l'eau peut rester liquide à des pressions au moins 3,5 fois plus élevées que prévu sur la base du diagramme de phase d'équilibre, " dit Marshall. " C'est vraiment chouette de penser qu'on le comprime si vite que l'eau n'a pas le temps de cristalliser, donc ça reste liquide."
"Nous sommes à la frontière de la science expérimentale ultrarapide, "Marshall a dit, « et c'était formidable de collaborer avec nos collègues de la théorie et de la simulation pour obtenir une image plus détaillée de ce qui se passait. Il est remarquable que les avancées théoriques et numériques les plus récentes fournissent désormais une compréhension détaillée des phénomènes observés. Cela pourrait avoir des implications pour notre compréhension générale des transformations de phase dans des conditions extrêmes."
Ce travail fait partie d'un effort plus large pour comprendre la cinétique de transition de phase dans les matériaux compressés dynamiquement. La nature omniprésente de l'eau et son diagramme de phases complexe font de la transition de phase liquide-glace-VII un banc d'essai intéressant pour la modélisation de la cinétique de transition de phase. SAMSA, un modèle de cinétique développé par LLNL, fournit une compréhension détaillée des résultats expérimentaux tout en s'appuyant sur l'image fondamentalement simple de la nucléation homogène en utilisant la théorie de la nucléation classique.
D'une manière générale, ce travail permet d'améliorer les modèles et la compréhension des matériaux, ce qui pourrait avoir des implications intéressantes pour d'autres domaines de recherche clés du Laboratoire tels que la fabrication de pointe et l'impression 3D. Les états métastables et la cristallisation complexe de l'eau sont également essentiels pour la science atmosphérique et donc pour la sécurité climatique.
