Une partie du montage expérimental pour la production de glace amorphe de densité moyenne. (Crédit image : Alexander Rosou-Finsen, Christoph Salzmann)

En utilisant des températures ultra-basses et quelques roulements à billes en acier, les scientifiques ont créé une toute nouvelle forme bizarre de glace qui a la même densité que l’eau liquide.

La glace, connue sous le nom de glace amorphe de densité moyenne, s’inscrit dans une lacune dans les annales de l’eau gelée que les scientifiques n’étaient pas sûrs qu’elle comblerait un jour. Contrairement à la glace cristalline qui se forme naturellement sur Terre, la glace nouvellement créée n’a pas de structure moléculaire organisée. Au lieu de cela, ses molécules sont dans un décalage chaotique, plus comme du verre, un état connu sous le nom d’amorphe. D’autres types de glace amorphe ont été créés auparavant, mais ils étaient soit moins denses, soit beaucoup plus denses que l’eau liquide. Cette nouvelle version de la glace amorphe de Boucle d’or se trouve en plein milieu, correspondant presque exactement à la densité de l’eau liquide, ont expliqué les chercheurs dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science. (s’ouvrira dans un nouvel onglet) le 2 février.

« C’est quelque chose de complètement nouveau », a déclaré l’auteur principal de l’étude, Christoph Salzmann. (s’ouvrira dans un nouvel onglet)Professeur de chimie physique et de chimie des matériaux à l’University College London.

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meuler de la glace

Quand la glace gèle normalement sur Terre (s’ouvrira dans un nouvel onglet), ses molécules se replient en une structure cristalline organisée. Cette glace cristalline est l’une des caractéristiques étranges de H2O car elle flotte dans l’eau liquide sous forme solide au lieu de couler. Cela est dû aux lacunes relativement importantes dans la structure cristalline de la glace d’eau par rapport à d’autres matériaux, qui forment des structures plus denses lors de la cristallisation.

Cependant, lorsqu’elle est manipulée correctement, l’eau liquide peut également geler dans un état désorganisé et amorphe. Le premier de ces états, la glace amorphe de faible densité, a été découvert dans les années 1930. Cela se fait en déposant de la vapeur d’eau sur des surfaces très froides. Ce processus se produit naturellement dans l’espace, a déclaré Salzmann, de sorte que la glace amorphe de faible densité pourrait être la forme de glace la plus courante dans l’univers.

Dans les années 1980, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient également produire de la glace amorphe de haute densité en comprimant de la glace ordinaire à très basse température. (s’ouvrira dans un nouvel onglet). Mais personne n’avait jamais fabriqué de glace amorphe de densité moyenne, jusqu’à ce que Saltzman et ses collègues proposent « l’idée folle du vendredi ». Nous avons décidé d’essayer de broyer de la glace dans un broyeur à boulets.

Le broyeur à boulets est un appareil similaire à un shaker à cocktail très perfectionné. Le matériau est placé dans une chambre avec des billes en acier inoxydable et secoué ou retourné jusqu’à ce que le matériau soit pulvérisé. Le broyeur à boulets est utilisé dans de nombreuses industries, a déclaré Salzmann, mais il est particulièrement bien adapté pour créer des matériaux amorphes et broyer des matériaux congelés mous en poudres.

« Nous avons dit, ‘Pourquoi ne pas broyer de la glace dans un broyeur à boulets et voir ce qui se passe?' », a déclaré Salzmann.

Propriétés étranges

Les chercheurs s’attendaient à ce que le broyeur à boulets briserait simplement les cristaux de glace en plus petits. Mais ce n’est pas ce qui s’est passé. Au lieu de cela, les billes d’acier tombant ont coupé et comprimé les cristaux de glace, les poussant dans un nouvel état de désorganisation. Résultat? Glace amorphe de densité moyenne.

Des simulations informatiques ont montré que la glace est initialement dans un bon état cristallin et que ses liaisons hydrogène forment un réseau hexagonal. Un décalage aléatoire du broyeur à boulets pousse ces liaisons hydrogène d’avant en arrière, les laissant pointer de haut en bas dans un zigzag chaotique.

Une nouvelle forme de glace se forme à 77 kelvins, soit moins 321 degrés Fahrenheit (moins 196 degrés Celsius). En plus d’avoir une densité de 1,06 gramme par centimètre cube (0,037 once par 0,06 pouce cube), il possède des propriétés étranges. (La densité de l’eau est de 1 gramme par centimètre cube, ou 0,035 once par 0,06 pouce cube.) Parmi eux, dit Salzmann, c’est que lorsque les chercheurs ont comprimé de la glace de densité moyenne et l’ont chauffée à moins 185 F (moins 120 C), le glace recristallisée, dégageant une grande quantité de chaleur.

« Avec d’autres formes [amorphous] de la glace si vous les pressez, puis relâchez la pression comme si rien ne s’était passé », a déclaré Salzmann. «Mais MDA [medium-density amorphous ice] a en quelque sorte cette capacité à stocker l’énergie mécanique et à la libérer lorsqu’elle est chauffée.

De la glace amorphe de densité moyenne pourrait se former naturellement sur les lunes glacées des géantes gazeuses, où les forces gravitationnelles des mondes immenses compriment et cisaillent la glace des lunes, a déclaré Salzmann. Si c’est le cas, alors l’énergie mécanique stockée dans cette forme de glace pourrait influencer la tectonique de ces lunes de type Hoth.

Comprendre la glace amorphe de densité moyenne pourrait également aider les chercheurs à mieux comprendre l’eau liquide en général, a déclaré Salzmann. L’eau est inhabituelle non seulement parce que sa forme cristalline flotte, mais aussi parce qu’elle possède d’autres propriétés uniques telles qu’une tension superficielle élevée et des points de fusion et d’ébullition élevés. Les scientifiques se disputent encore sur la nature de l’eau à des températures extrêmement basses. Tout débat doit désormais prendre en compte la glace amorphe de densité moyenne, a déclaré Salzmann.

« Dans une large mesure, notre compréhension de l’eau liquide était basée sur le fait qu’il existe de la glace amorphe de faible densité et de haute densité », a-t-il déclaré. « Comment la glace amorphe de densité moyenne s’intègre-t-elle dans cette image? »

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