Des scientifiques faisant vibrer de l’eau gelée normale dans un pot de billes d’acier ultra-froides ont découvert une forme de glace jusque-là inconnue, plus proche de l’eau liquide que toute autre glace à ce jour.
Il s’agit de glace amorphe, une forme introuvable dans la nature sur Terre. C’est parce que ses atomes ne sont pas arrangés selon un motif cristallin répétitif net, mais pêle-mêle, en désordre atomique.
Mais la glace amorphe issue des expériences de l’équipe, un processus appelé broyage à boulets, ne ressemble à aucune glace amorphe jamais vue.
La glace amorphe est généralement de faible densité, environ 0,94 gramme par centimètre cube, ou de haute densité, à partir de 1,13 gramme par centimètre cube. La nouvelle glace a une densité de 1,06 gramme par centimètre cube, ce qui se rapproche incroyablement de la densité de l’eau, à 1 gramme par centimètre cube.
Des chercheurs dirigés par le chimiste Alexander Rosu-Finsen, anciennement de l’University College de Londres au Royaume-Uni, ont nommé la nouvelle forme de glace amorphe de densité moyenne (MDA).
“L’eau est le fondement de toute vie. Notre existence en dépend, nous lançons des missions spatiales à sa recherche, mais d’un point de vue scientifique, elle est mal comprise”, explique le chimiste Christoph Salzmann de l’University College London.
“Nous connaissons 20 formes cristallines de glace, mais seuls deux principaux types de glace amorphe ont été découverts auparavant, connus sous le nom de glaces amorphes à haute densité et à faible densité. Il existe un énorme écart de densité entre elles et la sagesse acceptée est que aucune glace n’existe dans cet écart de densité », explique Salzmann.
“Notre étude montre que la densité de MDA se situe précisément dans cet écart de densité et cette découverte peut avoir des conséquences considérables pour notre compréhension de l’eau liquide et de ses nombreuses anomalies.”
L’eau, ne pas tourner autour du pot, c’est juste bizarre. Parce qu’il est si omniprésent et nécessaire à notre survie, nous n’y pensons pas beaucoup, mais il ne suit pas les mêmes règles que les autres liquides.
C’est un solvant universel; c’est-à-dire que de nombreuses autres substances s’y dissolvent très facilement. Sa tension superficielle est inhabituellement élevée par rapport aux autres liquides, tout comme son point d’ébullition.
Et sa densité dans des conditions de refroidissement est peut-être la chose la plus étrange de toutes : comme la plupart des fluides gèlent, leur densité augmente. L’eau fait le contraire : elle devient moins dense, ce qui signifie que la glace d’eau est généralement moins dense que l’eau. C’est pourquoi des glaçons flottent dans votre boisson.
Mais toutes les glaces ne sont pas créées de la même manière. Ici sur Terre, la glace prend naturellement une forme cristalline, avec ses atomes disposés selon un motif hexagonal répétitif. C’est pourquoi les flocons de neige ont tendance à être hexagonaux. Dans le quasi-vide de l’espace, cependant, la glace est généralement amorphe, car les atomes ne retiennent pas suffisamment d’énergie thermique pour se tortiller dans une structure cristalline.
L’écart de densité dans la glace amorphe était assez fondamental pour notre compréhension de l’eau. En fait, des recherches et des simulations antérieures ont révélé que la division pourrait signifier que l’eau existe sous la forme de deux liquides distincts à des températures très froides, coexistant même comme du pétrole et, eh bien, de l’eau plutôt que de se mélanger si les conditions étaient réunies. Hé, l’eau a fait des choses plus étranges.
Partie de l’appareil expérimental utilisé pour broyer la glace. (Christoph Salzmann)
Mais ensuite, Rosu-Finsen et ses collègues ont mis la main sur des billes d’acier. Le broyage à billes est une technique industrielle utilisée pour broyer ou mélanger des matériaux. Les chercheurs ont utilisé de l’azote liquide pour refroidir un pot de broyage à -200 degrés Celsius (-328 degrés Fahrenheit), ajouté de la glace d’eau normale et secoué les choses.
“Nous avons secoué la glace comme des fous pendant longtemps et détruit la structure cristalline”, explique Rosu-Finsen. “Plutôt que de se retrouver avec de plus petits morceaux de glace, nous avons réalisé que nous avions trouvé un tout nouveau genre de chose, avec des propriétés remarquables.”
La signification de ces propriétés n’est pas encore tout à fait claire. Le MDA pourrait être un état “vitreux” de l’eau liquide, suggèrent les chercheurs. Bien que la glace amorphe ne se forme pas dans la nature, d’autres solides amorphes existent ; le verre est l’un d’entre eux, et c’est simplement une forme solide de dioxyde de silicium liquide. Mais le MDA pourrait aussi être simplement de la glace cristalline fortement cisaillée.
Cela suggère que nos modèles d’eau existants doivent être réexaminés afin de déterminer où MDA s’intègre dans le tableau. Mais déjà, cela semble prometteur pour expliquer certaines des façons dont la glace d’eau se comporte dans l’Univers.
Les chercheurs ont expérimenté pour voir ce qui se passe lorsque le MDA recristallise, le comprime et le réchauffe. Ils ont découvert que ce processus libère une quantité surprenante d’énergie, suggérant que le MDA pourrait jouer un rôle dans l’activité tectonique sur des mondes incrustés de glace comme la lune jovienne Ganymède.
Et la découverte montre également un potentiel pour de futures expériences et sondes des propriétés particulières de l’eau.
“Nous avons montré qu’il est possible de créer ce qui ressemble à une sorte d’eau en stop-motion”, explique la chimiste Andrea Sella de l’University College de Londres.
“C’est une découverte inattendue et assez étonnante.”
La recherche a été publiée dans Science.
