La glace amorphe à basse densité est l’un des matériaux solides les plus courants de l’univers et un matériau clé pour comprendre les nombreuses anomalies célèbres de l’eau liquide. Pourtant, malgré sa signification et sa découverte il y a près de 90 ans, sa structure est débattue. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l’University College de Londres et de l’Université de Cambridge ont constaté que les simulations informatiques de la glace amorphe à basse densité les mieux correspondaient à des expériences précédentes si la glace n’était pas entièrement amorphe mais contenait de minuscules cristaux – environ 3 nm de large, légèrement plus large qu’un seul brin d’ADN – incorporé dans ses structures désordonnées. Dans une œuvre expérimentale, ils ont également recrit (c’est-à-dire réchauffé) de véritables échantillons de glace amorphe qui s’étaient formés de différentes manières. Ils ont constaté que la structure cristalline finale variait selon la façon dont la glace amorphe était née. Si la glace avait été pleinement amorphe (entièrement désordonnée), les chercheurs ont conclu, il ne conserverait aucune empreinte de sa forme antérieure.
«Nous avons maintenant une bonne idée de ce à quoi ressemble la forme de glace la plus courante dans l’univers à un niveau atomique», a déclaré le Dr Michael Davies, chercheur à University College de Londres et à l’Université de Cambridge.
«Ceci est important car la glace est impliquée dans de nombreux processus cosmologiques, par exemple dans la façon dont les planètes se forment, comment les galaxies évoluent et comment la matière se déplace dans l’univers.»
Pour leur étude, le Dr Davies et ses collègues ont utilisé deux modèles informatiques d’eau.
Ils ont gelé ces «boîtes» virtuelles de molécules d’eau en refroidissant à moins 120 degrés Celsius (moins 184 degrés Fahrenheit) à différents taux.
Les différents taux de refroidissement ont conduit à des proportions variables de glace cristalline et amorphe.
Les chercheurs ont constaté que la glace qui était jusqu’à 20% cristalline (et 80% amorphe) semblait correspondre étroitement à la structure de la glace amorphe à basse densité, comme le constaté dans les études de diffraction des rayons X (c’est-à-dire où les chercheurs tirent des rayons X à la glace et analysent comment ces rayons sont déviés).
En utilisant une autre approche, ils ont créé de grandes «boîtes» avec de nombreux petits cristaux de glace étroitement serrés ensemble.
La simulation a ensuite désordonné les régions entre les cristaux de glace atteignant des structures très similaires par rapport à la première approche avec 25% de glace cristalline.
Dans des travaux expérimentaux supplémentaires, les scientifiques ont créé de réels échantillons de glace amorphe de basse densité de plusieurs manières, de déposer une vapeur d’eau à une surface extrêmement froide (comment la glace se forme sur les grains de poussière dans les nuages interstellaires) à l’échauffement de ce qui est connu sous le nom de glace amorphe à haute densité (glace qui a été écrasée à des températures extrêmement froides).
Ils chauffèrent ensuite doucement ces glaces amorphes afin qu’ils aient l’énergie pour former des cristaux.
Ils ont remarqué des différences dans la structure des ICE en fonction de leur origine – en particulier, il y avait une variation de la proportion de molécules empilées dans un arrangement de six fois (hexagonal).
C’était une preuve indirecte que la glace amorphe à basse densité contenait des cristaux.
S’il était pleinement désordonné, la glace ne conserverait aucune mémoire de ses formes antérieures.
Les résultats ont soulevé de nombreuses questions supplémentaires sur la nature des ICE amorphes – par exemple, si la taille des cristaux variait selon la façon dont la glace amorphe s’est formée et si une glace vraiment amorphe était possible.
«L’eau est le fondement de la vie, mais nous ne le comprenons toujours pas complètement», a déclaré le professeur Angelos Michaelides de l’Université de Cambridge.
«Les ICE amorphes peuvent tenir la clé pour expliquer certaines des nombreuses anomalies de l’eau.»
« La glace est potentiellement un matériau haute performance dans l’espace », a déclaré le Dr Davies.
«Il pourrait protéger les vaisseaux spatiaux du rayonnement ou fournir du carburant sous forme d’hydrogène et d’oxygène.»
«Nous devons donc connaître ses différentes formes et propriétés.»
Les résultats ont également des implications pour une théorie spéculative sur le début de la vie sur terre.
Selon cette théorie, connue sous le nom de panspermie, les éléments constitutifs de la vie ont été transportés ici sur une comète de glace, avec de la glace amorphe à basse densité, la navette spatiale dans laquelle des ingrédients tels que des acides aminés simples ont été transportés.
« Nos résultats suggèrent que cette glace serait un matériau de transport moins bon pour ces molécules d’origine de la vie », a déclaré le Dr Davies.
« C’est parce qu’une structure partiellement cristalline a moins d’espace dans lequel ces ingrédients pourraient être intégrés. »
« La théorie pourrait encore être vraie, car il y a des régions amorphes dans la glace où les blocs de construction de la vie pourraient être piégés et stockés. »
«La glace sur Terre est une curiosité cosmologique en raison de nos températures chaudes», a déclaré le professeur de University College de Londres, Christoph Salzmann.
«Vous pouvez voir sa nature ordonnée dans la symétrie d’un flocon de neige.»
«La glace dans le reste de l’univers a longtemps été considérée comme un instantané de l’eau liquide – c’est-à-dire un arrangement désordonné fixé en place. Nos résultats montrent que ce n’est pas entièrement vrai.»
«Nos résultats soulèvent également des questions sur les matériaux amorphes en général.»
«Ces matériaux ont des utilisations importantes dans la technologie de grande envergure.»
«Par exemple, les fibres de verre qui transportent des données de longues distances doivent être amorphes ou désordonnées pour leur fonction.»
« S’ils contiennent de minuscules cristaux et que nous pouvons les retirer, cela améliorera leurs performances. »
