Les scientifiques ont démontré que l’eau surcomprimée se transforme en glace VI à température ambiante par de multiples voies de congélation-fusion, qui se produisent via une forme jusqu’alors inconnue de glace métastable, appelée glace XXI.
L’eau, composée de seulement deux éléments, forme de nombreuses phases polymorphes allant de la glace Ih à la glace XX et quatre phases amorphes.
Comprendre les voies de formation et de transition des diverses phases de l’eau intéresse depuis un siècle la physique des hautes pressions et la recherche de la vie dans l’espace et sur les lunes glacées.
« L’eau présente une complexité remarquable à l’état solide », a déclaré le Dr Geun Woo Lee, chercheur à l’Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences et à l’Université des sciences et technologies.
« La majorité des phases sont observées à des pressions élevées et à des températures basses. »
« La compression rapide de l’eau lui permet de rester liquide jusqu’à des pressions plus élevées, où elle aurait déjà dû cristalliser en glace VI. »
« La Glace VI est une phase particulièrement intrigante, que l’on pense être présente à l’intérieur des lunes glacées telles que Titan et Ganymède. »
« Sa structure hautement déformée peut permettre des voies de transition complexes conduisant à des phases de glace métastables. »
« Comme la plupart des variantes de glace n’existent que dans des conditions extrêmes, nous avons créé des conditions de haute pression à l’aide de cellules à enclume en diamant. »
« L’échantillon – dans ce cas, de l’eau – est placé entre deux diamants, qui peuvent être utilisés pour créer une très haute pression en raison de leur dureté. »
« L’eau a été examinée sous des pressions allant jusqu’à deux gigapascals, soit environ 20 000 fois la pression atmosphérique normale. »
« Cela provoque la formation de glace même à température ambiante, mais les molécules sont beaucoup plus serrées que dans la glace normale. »
Afin d’observer la formation de glace dans différentes conditions de pression, les chercheurs ont d’abord généré une haute pression de deux gigapascals en 10 millisecondes.
Ils ont ensuite relâché la cellule de l’enclume sur une période d’une seconde, puis ont répété le processus.
Au cours de ces cycles, les scientifiques ont utilisé les flashs à rayons X du XFEL européen pour capturer des images de l’échantillon toutes les microsecondes.
Grâce à son taux extrêmement élevé d’impulsions de rayons X, ils pourraient réaliser des films sur la formation de la structure de la glace.
Ensuite, en utilisant la ligne de lumière P02.2 de PETRA III, les auteurs ont déterminé que Ice XXI possède une structure cristalline tétragonale constituée d’unités répétitives étonnamment grandes, appelées cellules unitaires.
« Grâce aux impulsions de rayons X uniques du XFEL européen, nous avons découvert plusieurs voies de cristallisation dans l’eau qui a été rapidement comprimée et décomprimée plus de 1 000 fois à l’aide d’une cellule à enclume dynamique en diamant », a déclaré le Dr Lee.
« Dans cette cellule de pression spéciale, les échantillons sont pressés entre les pointes de deux enclumes de diamant opposées et peuvent être comprimés le long d’une voie de pression prédéfinie », a déclaré le Dr Cornelius Strohm, chercheur au Deutsches Elektronen-Synchrotron.
« La structure dans laquelle l’eau liquide cristallise dépend du degré de surcompression du liquide », a déclaré le Dr Lee.
« Nos résultats suggèrent qu’il pourrait exister un plus grand nombre de phases de glace métastables à haute température et leurs voies de transition associées, offrant potentiellement de nouvelles informations sur la composition des lunes glacées », a déclaré le Dr Rachel Husband, également du Deutsches Elektronen-Synchrotron.
Les résultats ont été publiés le 10 octobre dans la revue Nature Materials.
