Crédit :Université de Surrey
Dans un article publié en Communication Nature , l'équipe de recherche détaille les processus physiques complexes à l'œuvre pour comprendre la chimie de la formation de la glace. La perspective au niveau moléculaire de ce processus peut aider à prédire la formation et la fonte de la glace, des cristaux individuels aux glaciers et aux calottes glaciaires. Cette dernière étant cruciale pour quantifier les transformations environnementales en lien avec le changement climatique et le réchauffement climatique.
L'équipe a pu traquer la première étape de la formation de glace, appelé nucléation, ce qui se passe dans un laps de temps incroyablement court, une fraction de milliardième de seconde, lorsque des molécules d'eau individuelles hautement mobiles se rencontrent et fusionnent. Cependant, les microscopes conventionnels sont beaucoup trop lents pour suivre le mouvement des molécules d'eau, il est donc impossible de les utiliser pour surveiller la façon dont les molécules se combinent sur des surfaces solides.
L'équipe de recherche a utilisé une machine à écho de spin à l'hélium (HeSE) de pointe pour suivre le mouvement des atomes et des molécules. L'équipe a utilisé HeSE pour étudier le mouvement des molécules d'eau sur une surface de graphène vierge modèle. Les chercheurs ont fait une observation remarquable :les molécules d'eau se repoussent et doivent acquérir suffisamment d'énergie pour surmonter cette répulsion avant que la glace ne puisse commencer à se former.
C'est la combinaison de méthodes expérimentales et théoriques qui a permis à l'équipe internationale de scientifiques de démêler le comportement des molécules d'eau. Ensemble, ils ont capturé, pour la première fois, exactement comment évolue la première étape de formation de la glace à une surface et leur permet de proposer un mécanisme physique jusqu'alors inconnu.
Dr Marco Sacchi, co-auteur de l'étude et chercheur universitaire de la Royal Society à l'Université de Surrey, a déclaré:"Nos résultats montrent que les molécules d'eau doivent surmonter une barrière énergétique petite mais importante avant de former de la glace. Nous espérons que notre projet de collaboration unique nous aidera tous à comprendre les changements dramatiques qui se produisent sur notre planète. "
Dr Anton Tamtögl, auteur principal et correspondant, de l'Université de technologie de Graz, ajoute :« Les observations modifient complètement notre compréhension de la nucléation de la glace. Les résultats de HeSE semblaient très prometteurs, mais le mouvement de l'eau était incroyablement compliqué et suggérait une nouvelle physique contre-intuitive. Nous avons décidé que des simulations atomistiques étaient nécessaires pour interpréter les résultats."
Les résultats de l'étude d'Anton Tamtögl et al conduisent à une toute nouvelle compréhension de la formation de la glace :les molécules d'eau ont besoin d'énergie supplémentaire avant de geler en glace. Crédit :© Lunghammer - TU Graz
Dr Andrew Jardine, un lecteur en physique expérimentale de l'Université de Cambridge, l'un des développeurs de la méthode HeSE, a déclaré:"La technique révolutionne complètement notre capacité à suivre les processus physiques et chimiques au niveau d'une seule molécule."
Dr Bill Allison, également de l'Université de Cambridge, a déclaré:"La répulsion entre les molécules d'eau n'a tout simplement pas été prise en compte pendant la nucléation de la glace - ce travail changera tout cela. Les interactions nouvellement observées modifient également la vitesse à laquelle la nucléation a lieu, et donc à laquelle la glace peut se former. Les travaux auront donc des conséquences importantes dans la prévention de la formation de glace, qui concerne des domaines aussi divers que l'éolien, l'aviation et les télécommunications."
