« Elle gèle à 25 °C » : des chercheurs créent une nouvelle forme de glace sous pression extrême (et elle pourrait exister sur d’autres planètes)

L’eau, bien que paraissant simple, réserve encore bien des surprises aux scientifiques du monde entier. Récemment, une étude internationale a révélé qu’il est possible de faire geler l’eau à température ambiante sous une pression extrême. Ce processus permet à l’eau de se transformer en une nouvelle forme de glace, appelée glace XXI, par cinq voies différentes. Ces découvertes ouvrent de nouvelles perspectives sur la compréhension des propriétés de l’eau et de ses comportements sous des conditions extrêmes.

Un laboratoire pour des pressions extrêmes

Des chercheurs du Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) ont collaboré avec le personnel du European XFEL en Allemagne, qui possède le laser à rayons X le plus intense au monde. Ils ont utilisé une cellule à enclume de diamant dynamique, capable de comprimer une goutte d’eau entre deux pointes de diamant avec une précision inégalée. La pression appliquée variait de 0,001 gigapascal par seconde jusqu’à 120 gigapascals par seconde, soit des millions de fois la pression ressentie au niveau de la mer.

En alternant pression et relâchement, les chercheurs ont observé l’eau geler et fondre entre 0,6 et 2,0 gigapascals, tout en maintenant une température de 25 °C. Grâce aux flashes rapides du European XFEL, ils ont pu capturer des images de la croissance des cristaux de glace dans des conditions similaires à celles trouvées dans les profondeurs des planètes et des lunes.

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Cinq chemins différents vers la glace

L’étude a révélé que l’eau ne suit pas un chemin unique de l’état liquide à l’état solide. Au contraire, elle emprunte cinq voies distinctes pour geler. Parfois, elle se transforme en glace VI avant de s’évaporer, ou traverse des états transitoires ou « métastables », dont certains n’avaient jamais été observés auparavant.

Les expérimentations ont montré des cycles complexes, tels que l’eau passant par glace VI puis glace VII avant de retourner à l’état liquide. Ces transitions de phase se produisent en un temps incroyablement court, de 20 à 40 microsecondes. Cela révèle un réseau caché de chemins de cristallisation plutôt qu’une simple transition linéaire de liquide à solide.

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La naissance de la glace XXI

Parmi les découvertes, la glace XXI se distingue particulièrement. Sa structure est unique par rapport aux 20 phases de glace déjà connues. Sa maille cristalline, dite « tétragonale centrée sur le corps », contient 152 molécules d’eau par cellule unitaire, la rendant plus dense que la glace ordinaire.

À environ 1,6 gigapascal, la densité de la glace XXI est de 1,413 gramme par centimètre cube. Une fois formée, elle ne retourne pas à son état précédent mais évolue vers des structures plus stables comme les glaces VII et VI. Cette caractéristique la rend métastable, capable de persister un certain temps malgré la présence d’un état plus stable.

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Observer les atomes se remodeler

Pour comprendre les réarrangements atomiques, les scientifiques ont combiné leurs expériences à des simulations de dynamique moléculaire. À mesure que la pression atteignait 2 gigapascals, ils ont observé que la structure interne de l’eau liquide passait progressivement de celle typique de la glace VI à celle de la glace VII.

Ces ajustements dans l’agencement moléculaire expliquent pourquoi différentes structures solides peuvent se former. L’eau pressurisée ne passe pas brusquement d’un état à un autre mais traverse des « voisinages » intermédiaires où les molécules sont partiellement alignées avant de se cristalliser complètement.

Répercussions pratiques de la recherche

La découverte de la glace XXI enrichit notre compréhension du comportement de l’eau sous des conditions extrêmes, telles que celles présentes au cœur des grandes planètes et des lunes glacées où la pression est des millions de fois supérieure à celle de l’atmosphère terrestre. Cela aide les scientifiques planétaires à interpréter les signaux des missions explorant les lunes de Jupiter et de Saturne.

Cette recherche a également des implications en science des matériaux, qui vise à contrôler les cristallisations pour produire des alliages, semi-conducteurs et médicaments performants. Elle nous rappelle que même la molécule la plus basique de la nature recèle encore des mystères susceptibles de redéfinir notre compréhension de l’univers.

Alors que l’eau se révèle être bien plus complexe qu’elle n’y paraît, quelles autres surprises pourrait-elle encore nous réserver sous des conditions que nous n’avons pas encore explorées ?