La glace d’eau a de nombreuses phases cristallines, ainsi que quelques structures amorphes. Le schéma structurel complexe est important à comprendre en raison de l’importance généralisée de la glace. Le chercheur de l’University College de Londres, Alexander Rosu-Finsen, et ses collègues ont découvert une glace amorphe de densité moyenne formée par broyage à billes de glace hexagonale à basse température. Le broyage à billes est régulièrement utilisé pour fabriquer des matériaux amorphes, mais il n’avait jamais été appliqué à la glace.
Un pot avec de la glace amorphe de densité moyenne à l’intérieur, avec des billes d’acier et de l’azote liquide. Crédit image : Rosu-Finsen et al., doi : 10.1126/science.abq2105.
L’eau gelée peut prendre plusieurs formes. Il existe 20 phases communes ou cristallines connues de glace d’eau et au moins deux familles de forme amorphe.
Contrairement à la glace commune, dont les molécules sont régulièrement disposées dans un réseau hexagonal, les formes amorphes n’ont pas de structure cristalline très ordonnée.
Bien que presque toute l’eau gelée sur Terre existe sous forme de glace cristalline, la glace amorphe est probablement la structure la plus courante de l’eau dans l’Univers en général.
En général, les glaces amorphes se distinguent par leurs densités, la glace amorphe de faible densité ayant une densité de 0,94 g/cm3 et des formes de glace amorphe à haute densité, qui commencent à 1,13 g/cm3.
Cependant, ni les glaces cristallines ni les glaces amorphes n’ont une forme avec une densité proche de celle de l’eau liquide (1 g/cm3). Cet écart de densité est la pierre angulaire de notre compréhension actuelle de l’eau.
Pour l’étude, le Dr Rosu-Finsen et ses co-auteurs ont utilisé un processus appelé broyage à billes, en secouant vigoureusement de la glace ordinaire avec des billes d’acier dans un bocal refroidi à 77 K (moins 200 degrés Celsius).
Ils ont découvert que, plutôt que de se retrouver avec de petits morceaux de glace ordinaire, le processus produisait une nouvelle forme de glace amorphe qui, contrairement à toutes les autres glaces connues, avait la même densité (1,06 g/cm3) sous forme d’eau liquide et dont l’état ressemblait à de l’eau sous forme solide.
Une nouvelle forme de glace dont la structure moléculaire est très similaire à celle de l’eau liquide (à gauche), par rapport à la glace cristalline ordinaire (à droite). Crédit image : Rosu-Finsen et al., doi : 10.1126/science.abq2105.
Pour comprendre le processus à l’échelle moléculaire, ils ont utilisé la simulation informatique.
En imitant la procédure de broyage à billes via un cisaillement aléatoire répété de la glace cristalline, ils ont réussi à créer un modèle informatique de la glace amorphe de densité moyenne.
“Notre découverte de la glace amorphe de densité moyenne soulève de nombreuses questions sur la nature même de l’eau liquide et il est donc très important de comprendre la structure atomique précise de la nouvelle forme”, a déclaré le Dr Michael Davies, chercheur à l’University College de Londres et à l’Université de Cambridge.
“Nous avons trouvé des similitudes remarquables entre la glace amorphe de densité moyenne et l’eau liquide.”
“La sagesse acceptée est qu’il n’y a pas de glace dans cet écart de densité”, a déclaré le professeur Christoph Salzmann de l’University College London.
“Notre étude montre que la densité de la glace amorphe de densité moyenne 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.”
La découverte de la glace amorphe de densité moyenne soulève la question : où pourrait-elle exister dans la nature ?
Les forces de cisaillement se sont révélées être la clé de la création de la glace amorphe de densité moyenne dans l’étude.
Les auteurs suggèrent que la glace ordinaire pourrait subir des forces de cisaillement similaires dans les lunes de glace en raison des forces de marée exercées par des géantes gazeuses telles que Jupiter.
De plus, la glace amorphe de densité moyenne présente une propriété remarquable que l’on ne retrouve pas dans d’autres formes de glace.
En utilisant la calorimétrie, les chercheurs ont découvert que lorsque la glace amorphe de densité moyenne recristallise en glace ordinaire, elle libère une quantité extraordinaire de chaleur.
La chaleur dégagée par la recristallisation de la glace amorphe de densité moyenne pourrait jouer un rôle dans l’activation des mouvements tectoniques.
Plus largement, cette découverte montre que l’eau peut être un matériau géophysique à haute énergie.
“La glace amorphe en général serait la forme d’eau la plus abondante dans l’Univers”, a déclaré le professeur Angelos Michaelides, chercheur à l’University College London et à l’Université de Cambridge.
“La course est maintenant lancée pour comprendre quelle est la quantité de glace amorphe de densité moyenne et à quel point la nouvelle forme est géophysiquement active.”
La découverte est rapportée dans un article publié cette semaine dans la revue La science.
