Après de nombreuses années d’expériences, des physiciens ont observé que sous des températures et des pressions extrêmes, l’eau prend une nouvelle forme appelée glace superionique. Les résultats sont publiés dans le journal Nature Physics.
Visualisation de simulations de dynamique moléculaire montrant la diffusion rapide des ions hydrogène (trajectoires roses) au sein du réseau solide d’oxygène dans la glace superionique. Crédit image : S. Hamel / M. Millot / J.Wickboldt / LLNL / NIF.
L’une des propriétés les plus intrigantes de l’eau est qu’elle peut devenir superionique lorsqu’elle est chauffée à plusieurs milliers de degrés à haute pression, comme c’est le cas à l’intérieur des planètes géantes glacées comme Uranus et Neptune. Cet état exotique de l’eau est caractérisé par des ions d’hydrogène de type liquide se déplaçant dans un réseau solide d’oxygène.
Depuis la première prédiction en 1988, de nombreux physiciens ont confirmé et affiné les simulations numériques, tandis que d’autres ont utilisé des techniques de compression statique pour explorer le diagramme de phase de l’eau à haute pression.
Bien que des signatures indirectes aient été observées, aucun groupe de recherche n’a été en mesure d’identifier des preuves expérimentales de la présence de glace d’eau superionique – jusqu’à présent.
En utilisant la compression par choc, le physicien Marius Millot du Lawrence Livermore National Laboratory et ses co-auteurs ont identifié des signatures thermodynamiques montrant que la glace fond près de 5 000 Kelvin à 190 GPa (gigapascals) – 4 000 K de plus que le point de fusion à 0,5 mégabar (Mbar) et presque la température de surface du Soleil.
“Nos expériences ont vérifié les deux principales prédictions concernant la glace superionique : une conductivité protonique/ionique très élevée au sein du solide et un point de fusion élevé”, a déclaré le Dr Millot.
“Notre travail fournit des preuves expérimentales pour la glace superionique et montre que ces prédictions n’étaient pas dues à des artefacts dans les simulations, mais capturaient en fait le comportement extraordinaire de l’eau dans ces conditions.”
“Cela fournit une validation importante des simulations quantiques de pointe utilisant la dynamique moléculaire basée sur la théorie densité-fonctionnelle.”
À l’aide de cellules d’enclume en diamant, l’équipe a appliqué une pression de 2,5 GPa pour précomprimer l’eau dans la glace VII à température ambiante, une forme cristalline cubique différente de la glace hexagonale en forme de “glaçon”, en plus d’être 60 % plus dense que l’eau à pression et température ambiantes.
Les chercheurs ont ensuite procédé à une compression par chocs des cellules précomprimées à l’aide d’un laser. Ils ont concentré jusqu’à six faisceaux intenses d’un laser puissant, délivrant une impulsion de lumière UV d’une nanoseconde sur l’un des diamants. Cela a permis de lancer de fortes ondes de choc de plusieurs centaines de GPa dans l’échantillon, afin de comprimer et de chauffer la glace d’eau en même temps.
“Comme nous avons précomprimé l’eau, il y a moins de chauffage par choc que si nous comprimions par choc l’eau liquide ambiante, ce qui nous permet d’accéder à des états beaucoup plus froids à haute pression que dans les études précédentes de compression par choc, de sorte que nous avons pu atteindre le domaine de stabilité prédit de la glace superionique”, a expliqué le Dr Millot.
Les auteurs ont utilisé la vélocimétrie interférométrique ultrarapide et la pyrométrie pour caractériser les propriétés optiques de l’eau comprimée par choc et déterminer ses propriétés thermodynamiques pendant la brève durée de 10 à 20 nanosecondes de l’expérience, avant que les ondes de libération de pression ne décompressent l’échantillon et ne vaporisent les diamants et l’eau.
“Il s’agit d’expériences très difficiles, et il était donc très intéressant de voir que nous pouvions apprendre autant de choses à partir des données, d’autant plus que nous avons passé environ deux ans à effectuer les mesures et deux autres années à développer les méthodes d’analyse des données”, a déclaré le Dr Millot.
Ce travail a également des implications importantes pour la science planétaire, car Uranus et Neptune pourraient contenir de grandes quantités de glace d’eau superionique.
Les planétologues pensent que ces géants de glace sont principalement constitués d’un mélange de carbone, d’hydrogène, d’oxygène et d’azote qui correspond à 65 % d’eau en masse, mélangé à de l’ammoniac et du méthane. De nombreux scientifiques imaginent ces planètes avec des intérieurs convectifs entièrement fluides.
Aujourd’hui, la découverte expérimentale de glace superionique devrait renforcer l’image de ces objets avec une couche relativement mince de fluide et un grand “manteau” de glace superionique.
En fait, une telle structure a été proposée il y a dix ans – sur la base d’une simulation de dynamo – pour expliquer les champs magnétiques inhabituels de ces planètes.
