Une équipe de recherche dirigée par Stanford a capturé la congélation de l’eau, molécule par molécule, en une forme de glace exotique et super dense appelée glace VII. Les résultats sont publiés dans le journal Physical Review Letters.
Configuration expérimentale de la sonde laser à électrons libres à rayons X et du laser optique ; le comportement de congélation par choc de l’eau capturée dans une géométrie Debye-Scherrer. En médaillon : schéma de l’ensemble de la cible comme une vue latérale coupée. Crédit image : Gleason et al, doi : 10.1103/PhysRevLett.119.025701.
La glace VII (glace sept) est une forme cristalline cubique de la glace qui a été découverte en 1937 par le physicien américain et lauréat du prix Nobel Percy Williams Bridgman.
Elle peut être formée à partir d’eau liquide au-dessus de 3 GPa (30 000 atmosphères) en abaissant sa température aux températures ambiantes, ou en décompressant D2O de la glace VI en dessous de 95 Kelvin.
Certains scientifiques supposent que la glace VII pourrait même être présente sur les exoplanètes aqueuses et sur plusieurs lunes glacées des planètes extérieures du système solaire.
“Tout satellite glacé ou intérieur planétaire est intimement lié à la surface de l’objet”, a déclaré l’auteur principal, Arianna Gleason, scientifique au Laboratoire des environnements extrêmes de l’École des sciences de la terre, de l’énergie et de l’environnement de Stanford et boursière postdoctorale au Laboratoire national de Los Alamos.
“L’étude de ces intérieurs glacés nous aidera à comprendre comment les mondes de notre système solaire se sont formés et comment au moins l’un d’entre eux, pour autant que nous le sachions, a fini par posséder toutes les caractéristiques nécessaires à la vie.”
“Il y a eu un nombre énorme d’études sur la glace VII parce que tout le monde veut comprendre son comportement”, a ajouté l’auteur principal, le Dr Wendy Mao, chercheur principal du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES).
“Ce que notre nouvelle étude démontre, et qui n’a pas été fait auparavant, c’est la possibilité de voir la structure de la glace se former en temps réel.”
Les physico-chimistes étudient depuis longtemps comment les matériaux subissent des changements de phase entre les états gazeux, liquide et solide. Les changements de phase peuvent toutefois se produire rapidement, et à l’échelle minuscule de simples atomes.
Les recherches précédentes ont eu du mal à saisir l’action momentanée des transitions de phase, et ont plutôt travaillé à rebours à partir de solides stables pour reconstituer les étapes moléculaires suivies par les liquides prédécesseurs.
Mao, Gleason et leurs co-auteurs ont utilisé la source de lumière cohérente Linac, le laser à rayons X le plus puissant au monde, situé au SLAC National Accelerator Laboratory.
L’équipe a envoyé un laser intense de couleur verte sur une petite cible contenant un échantillon d’eau liquide.
Le laser a instantanément vaporisé des couches de diamant sur un côté de la cible, générant une force semblable à celle d’une fusée qui a comprimé l’eau à des pressions dépassant 5 GPa (50 000 atmosphères).
Alors que l’eau se compactait, un faisceau distinct provenant d’un instrument appelé laser à électrons libres à rayons X est arrivé dans une série d’impulsions lumineuses d’une femtoseconde (quadrillionième de seconde) seulement.
Comme les flashs d’un appareil photo, ce laser à rayons X a pris une série d’images révélant la progression des changements moléculaires, à la manière d’un flip book, tandis que l’eau sous pression se cristallisait en glace VII.
Le changement de phase a pris seulement 6 milliardièmes de seconde, ou nanosecondes.
De façon surprenante, pendant ce processus, les molécules d’eau se sont liées en forme de bâtonnets, et non de sphères comme la théorie le prévoyait.
“Nos expériences avec l’eau sont les premières du genre et nous permettent d’assister à une transition fondamentale du désordre à l’ordre dans l’une des molécules les plus abondantes de l’Univers”, a déclaré le Dr Gleason.
