Image de Neptune prise par la mission Voyager 2 de la NASA. Crédit : NASA/JPL-Caltech
Sonder les structures et les propriétés de la glace superionique.
Une couche de glace « chaude » électriquement conductrice pourrait être responsable de la génération des champs magnétiques des planètes géantes de glace comme Uranus et Neptune. Nouveau travail de Carnegie et le Université de ChicagoLe Center for Advanced Radiation Sources révèle les conditions dans lesquelles se forment deux de ces glaces superioniques. Leurs conclusions sont publiées dans Physique de la nature.
Comme tous les écoliers l’apprennent, les molécules d’eau sont constituées de deux atomes d’hydrogène et d’un oxygène atome-H20. Au fur et à mesure que les conditions d’existence de l’eau changent, l’organisation et les propriétés de ces molécules sont affectées. Nous pouvons le voir dans notre vie quotidienne lorsque de l’eau liquide est bouillie en vapeur ou congelée en glace.
Les molécules qui composent la glace ordinaire que vous pourriez trouver dans votre verre à boire ou sur votre allée en hiver sont disposées dans un réseau cristallin maintenu ensemble par des liaisons hydrogène entre les atomes d’hydrogène et d’oxygène. Les liaisons hydrogène sont très polyvalentes. Cela signifie que la glace peut exister dans une diversité frappante de structures différentes – au moins 18 formes connues – qui émergent dans des conditions environnementales de plus en plus extrêmes.
Figure illustrant comment les expériences ont été réalisées, révélant deux formes de glace superionique. Crédit : Avec l’aimable autorisation de Vitali Prakapenka
La glace dite superionique, formée à des pressions et des températures très élevées, est particulièrement intéressante, dans laquelle les liaisons traditionnelles des molécules d’eau sont déplacées, permettant aux molécules d’hydrogène de flotter librement dans un réseau d’oxygène. Cette mobilité rend la glace capable de conduire l’électricité presque aussi bien qu’un matériau métallique.
Les observations de glace superionique chaude créée en laboratoire ont conduit à des résultats contradictoires et il y a eu beaucoup de désaccords sur les conditions exactes dans lesquelles les nouvelles propriétés émergent.
« Donc, notre équipe de recherche, dirigée par Vitali Prakapenka de l’Université de Chicago, a décidé d’utiliser plusieurs outils spectroscopiques pour cartographier les changements dans la structure et les propriétés de la glace dans des conditions allant jusqu’à 1,5 million de fois la pression atmosphérique normale et environ 11 200 degrés. Fahrenheit», a expliqué Alexander Goncharov de Carnegie.
Ce faisant, les scientifiques, dont Nicholas Holtgrewe, ancien de Carnegie, maintenant à la Food and Drug Administration de St Louis, et Sergey Lobanov, ancien de Carnegie, maintenant au Centre de recherche allemand GFZ pour les géosciences, ont pu identifier l’émergence de deux formes de glace superionique, dont l’une suggère qu’elle pourrait être trouvée à l’intérieur des planètes géantes de glace Uranus et Neptune.
« Afin de sonder la structure de cet état unique de la matière dans des conditions très extrêmes – chauffé par un laser et comprimé entre deux diamants – nous avons utilisé le brillant faisceau de rayons X synchrotron à haute énergie de la source de photons avancée, qui était focalisé jusqu’à environ 3 micromètres, 30 fois plus petit qu’un seul cheveu humain », a déclaré Prakapenka, expliquant le travail effectué à l’aide de la ligne de lumière GSECARS de l’installation. « Ces expériences sont si difficiles que nous avons dû en exécuter quelques milliers sur une décennie pour obtenir suffisamment de données de haute qualité pour résoudre le mystère de longue date du comportement à haute pression et haute température de la glace dans des conditions pertinentes pour la planète géante. intérieurs.
“Les simulations ont indiqué que les champs magnétiques de ces deux planètes sont générés dans de fines couches fluides trouvées à des profondeurs relativement faibles”, a ajouté Goncharov. “La conductivité de la glace superionique serait capable d’accomplir ce type de génération de champ et l’une des deux structures que nous avons révélées pourrait exister dans les conditions trouvées dans ces zones génératrices de champ magnétique.”
Une étude plus approfondie est nécessaire pour comprendre les propriétés conductrices et la viscosité de ces phases de glace dans des conditions intérieures géantes de glace.
Référence : « Structure and properties of two superionic ice phases » par Vitali B. Prakapenka, Nicholas Holtgrewe, Sergey S. Lobanov et Alexander F. Goncharov, 14 octobre 2021, Physique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41567-021-01351-8
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation des États-Unis, le Army Research Office, le Deep Carbon Observatory, le Helmholtz Young Investigators Group et la Carnegie Institution for Science. Ce travail a été réalisé à GeoSoilEnviroCARS, Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory.
