Les physiciens de l’UNLV ont mis au point une nouvelle technique de chauffage au laser dans une cellule à enclume de diamant (photo) dans le cadre de leur découverte d’une nouvelle forme de glace. Crédit : Chris Higgins
Les découvertes pourraient avoir des implications pour notre compréhension des planètes lointaines et riches en eau.
Les chercheurs de NLV ont découvert une nouvelle forme de glace, redéfinissant les propriétés de l’eau à haute pression.
L’eau solide, ou glace, est comme beaucoup d’autres matériaux en ce sens qu’elle peut former différents matériaux solides en fonction de conditions de température et de pression variables, comme le carbone formant le diamant ou le graphite. Cependant, l’eau est exceptionnelle dans cet aspect car il existe au moins 20 formes solides de glace que nous connaissons.
Une équipe de scientifiques travaillant au Nevada Extreme Conditions Lab de l’UNLV a mis au point une nouvelle méthode pour mesurer les propriétés de l’eau sous haute pression. L’échantillon d’eau a d’abord été pressé entre les pointes de deux diamants opposés, se congelant en plusieurs cristaux de glace enchevêtrés. La glace a ensuite été soumise à une technique de chauffage au laser qui l’a fait fondre temporairement avant qu’elle ne se reforme rapidement en une collection de petits cristaux semblables à de la poudre.
En augmentant progressivement la pression et en la soumettant périodiquement à un rayon laser, l’équipe a observé la glace d’eau passer d’une phase cubique connue, Ice-VII, à une phase intermédiaire et tétragonale nouvellement découverte, Ice-VIIt, avant de se stabiliser dans une autre phase connue, Ice-X.
Zach Grande, un étudiant en doctorat de l’UNLV, a dirigé les travaux qui ont également démontré que la transition vers la phase Ice-X, lorsque l’eau se rigidifie de manière agressive, se produit à des pressions beaucoup plus faibles que ce que l’on pensait auparavant.
Bien qu’il soit peu probable que nous trouvions cette nouvelle phase de glace à la surface de la Terre, elle est probablement un ingrédient commun dans le manteau de la Terre ainsi que dans les grandes lunes et les planètes riches en eau en dehors de notre système solaire.
Les résultats de l’équipe ont été rapportés dans le numéro du 17 mars 2022 du journal Physical Review B.
Points à retenir
L’équipe de recherche avait cherché à comprendre le comportement de l’eau à haute pression qui pourrait être présente à l’intérieur de planètes lointaines.
Pour ce faire, Grande et le physicien Ashkan Salamat de l’UNLV ont placé un échantillon d’eau entre les pointes de deux diamants taillés en rond connus sous le nom de cellules d’enclume en diamant, une caractéristique standard dans le domaine de la physique des hautes pressions. En appliquant un peu de force aux diamants, les chercheurs ont pu recréer des pressions aussi élevées que celles que l’on trouve au centre de la Terre.
En pressant l’échantillon d’eau entre ces diamants, les scientifiques ont poussé les atomes d’oxygène et d’hydrogène dans une variété d’arrangements différents, y compris l’arrangement nouvellement découvert, Ice-VIIt.
Non seulement cette technique de chauffage au laser, la première du genre, a permis aux scientifiques d’observer une nouvelle phase de la glace d’eau, mais l’équipe a également découvert que la transition vers Ice-X s’est produite à des pressions près de trois fois inférieures à ce que l’on pensait auparavant – à 300 000 atmosphères au lieu de 1 million. Cette transition est un sujet très débattu dans la communauté depuis plusieurs décennies.
“Le travail de Zach a démontré que cette transformation vers un état ionique se produit à des pressions beaucoup, beaucoup plus faibles que ce que l’on pensait auparavant”, a déclaré Salamat. “C’est la pièce manquante, et les mesures les plus précises jamais réalisées sur l’eau dans ces conditions”.
Les travaux recalibrent également notre compréhension de la composition des exoplanètes, a ajouté Salamat. Les chercheurs supposent que la phase Ice-VIIt de la glace pourrait exister en abondance dans la croûte et le manteau supérieur des planètes riches en eau prévues en dehors de notre système solaire, ce qui signifie qu’elles pourraient avoir des conditions habitables pour la vie.
Référence : “Pressure driven symmetry transitions in dense H2O ice” par Zachary M. Grande, C. Huy Pham, Dean Smith, John H. Boisvert, Chenliang Huang, Jesse S. Smith, Nir Goldman, Jonathan L. Belof, Oliver Tschauner, Jason H. Steffen, et Ashkan Salamat, 17 mars 2022, Physical Review B.
DOI: 10.1103/PhysRevB.105.104109
Des collaborateurs du Lawrence Livermore National Laboratory ont utilisé un grand superordinateur pour simuler le réarrangement des liaisons, prédisant que les transitions de phase devaient se produire précisément là où elles ont été mesurées par les expériences.
Parmi les autres collaborateurs figurent les physiciens Jason Steffen et John Boisvert de l’UNLV, le minéralogiste Oliver Tschauner de l’UNLV, ainsi que des scientifiques de l’Argonne National Laboratory et de l’Université d’Arizona.
