Récemment, au Laser Energy Laboratory de Brighton, New York, l'un des lasers les plus puissants du monde a frappé une goutte d'eau, créant une onde de choc qui a élevé la pression dans cette eau à des millions d'atmosphères et la température à des milliers de degrés. Les rayons X qui ont traversé cette goutte dans la même fraction de seconde ont montré à l'humanité le premier aperçu de l'eau dans des conditions aussi extrêmes. Ils ont montré que l'eau à l'intérieur de l'onde de choc ne devenait pas un liquide ou un gaz surchauffé. Non, l'eau est gelée.
Paradoxalement, les atomes d'eau ont gelé pour former de la glace cristalline. Cependant, comme les physiciens s'y attendaient, en regardant les écrans dans la pièce voisine.
«Vous entendez un coup de feu et au même moment vous voyez qu'il s'est passé quelque chose d'intéressant», déclare Marius Millo du Laboratoire national de Livermore. Lawrence, qui a mené l'expérience avec Federica Coppari.
Qu'arrive-t-il à l'eau à haute pression et température?
Les résultats de ces travaux, publiés cette semaine dans Nature, confirment l'existence de la «glace superionique», une nouvelle phase de l'eau aux propriétés bizarres. Contrairement à la glace familière trouvée dans le congélateur ou au pôle Nord, la glace superionique est noire et chaude. Un cube de cette glace pesait quatre fois le poids habituel. Son existence a été prédite pour la première fois il y a plus de 30 ans, et bien qu'elle n'ait jamais été vue auparavant, les scientifiques pensent qu'elle pourrait être l'un des types d'eau les plus abondants de l'univers.
Même dans le système solaire, la majeure partie de l'eau est probablement sous forme de glace superionique - dans les entrailles d'Uranus et de Neptune. Il y en a plus que de l'eau liquide dans les océans de la Terre, d'Europe et d'Encelade. La découverte de la glace superionique pourrait résoudre de vieux mystères sur la composition de ces «géants de glace».
Les scientifiques ont déjà découvert dix-huit architectures étonnantes de cristaux de glace, y compris l'arrangement hexagonal des molécules d'eau dans la glace ordinaire (Ih). Après ice-I, qui se présente sous deux formes, Ih et Ic, les autres formes sont numérotées de II à XVII dans l'ordre d'ouverture. Oui, "ice-9" existe réellement, mais ses propriétés ne sont pas du tout les mêmes que dans le roman "Cat's Cradle" de Kurt Vonnegut.
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La glace superionique peut revendiquer le manteau Ice-XVIII. C'est un nouveau cristal, mais il y a une chose dedans. Toutes les glaces à l'eau connues auparavant sont composées de molécules d'eau intactes, dans lesquelles un atome d'oxygène est lié à deux atomes d'hydrogène. Mais la glace superionique, comme le montrent de nouvelles mesures, n'est pas comme ça. Il existe dans une sorte de membre surréaliste, mi-solide, mi-liquide. Les molécules d'eau individuelles se désintègrent. Les atomes d'oxygène forment un réseau cubique, mais les atomes d'hydrogène se déversent librement, circulant comme un liquide à travers une cellule à oxygène rigide.
Les experts disent que la découverte de la glace superionique justifie des prédictions informatiques qui pourraient aider les physiciens des matériaux à créer de futures substances avec des propriétés individuelles. Et la découverte de cette glace a nécessité des mesures ultra-rapides et un contrôle précis de la température et de la pression, ce qui n'est devenu possible qu'avec l'amélioration des méthodes expérimentales.
La physicienne Livia Bove du Centre national de la recherche scientifique de France estime que la dégradation des molécules d'eau ne constitue pas exactement une nouvelle phase de l'eau. "C'est un nouvel état de la matière, ce qui est assez impressionnant."
Puzzles de glace
Les physiciens recherchent la glace superionique depuis de nombreuses années - depuis qu'une simulation informatique primitive de Pierfranco Demontes en 1988 a prédit que l'eau prendrait cette étrange forme presque métallique si elle était poussée hors de la carte des phases de glace connues.
La modélisation a montré que sous forte pression et chaleur, les molécules d'eau sont détruites. Les atomes d'oxygène sont piégés dans un réseau cubique, et «l'hydrogène commence à sauter d'une position dans le cristal à une autre, encore et encore», dit Millo. Ces sauts entre les sites de réseau sont si rapides que les atomes d'hydrogène - qui s'ionisent, devenant essentiellement des protons chargés positivement - se comportent comme un liquide.
Il a été suggéré que la glace superionique conduirait l'électricité comme un métal et que l'hydrogène agirait comme des électrons. La présence de ces atomes d'hydrogène libres augmentera également le désordre de la glace, son entropie. À son tour, l'augmentation de l'entropie rendra la glace plus stable que les autres types de cristaux de glace, ce qui augmentera son point de fusion.
Il est facile d'imaginer tout cela, il est difficile d'y croire. Les premiers modèles utilisaient la physique simplifiée, explorant la nature quantique des molécules réelles. Des simulations ultérieures ont ajouté plus d'effets quantiques, mais ont tout de même contourné les équations réelles nécessaires pour décrire l'interaction de plusieurs corps quantiques, ce qui est trop difficile à calculer. Au lieu de cela, ils se sont appuyés sur des approximations, ce qui a augmenté la probabilité que tout ce scénario se révèle être un mirage dans la simulation. Les expériences, quant à elles, n'ont pas pu créer la pression nécessaire et générer suffisamment de chaleur pour faire fondre cette substance forte.
Et quand tout le monde avait déjà abandonné cette entreprise, les scientifiques planétaires ont exprimé leurs propres soupçons que l'eau pourrait avoir une phase superionique de glace. À peu près au moment où cette phase a été prédite pour la première fois, la sonde Voyager 2 est entrée dans le système solaire externe et a découvert quelque chose d'étrange dans les champs magnétiques des géants de glace Uranus et Neptune.
Les champs autour des autres planètes du système solaire semblent être composés de pôles nord et sud bien définis, sans autre structure particulière. Il semble qu'ils contiennent des barres magnétiques alignées avec les axes de rotation. Les planétologues associent cela aux «dynamos»: des régions internes où les fluides conducteurs montent et tournent lorsque la planète tourne, créant d'énormes champs magnétiques.
En revanche, les champs magnétiques émanant d'Uranus et de Neptune semblaient plus encombrants et complexes, avec plus de deux pôles. Ils ne se sont pas non plus alignés près de la rotation de leurs planètes. Une façon de faire est de confiner en quelque sorte le fluide conducteur, responsable de la dynamo, à seulement une fine coque externe de la planète, au lieu de lui permettre de pénétrer dans le noyau.
Mais l'idée que ces planètes pourraient avoir des noyaux solides qui ne pourraient pas générer de dynamos ne semblait pas réaliste. Si vous avez percé ces géants de glace, vous vous attendriez à rencontrer d'abord une couche d'eau ionique qui coulera, conduira des courants et participera à une dynamo. Il semble que des matériaux encore plus profonds, même à des températures plus élevées, seront également liquides, mais c'est naïf. Les planétaires ont une blague sur le fait que les entrailles d'Uranus et de Neptune ne peuvent pas du tout être solides. Mais il s'est avéré que c'était possible.
Glace explosive
Coppari, Millo et leur équipe ont assemblé les pièces du puzzle.
Dans une expérience antérieure publiée en février 2018, les physiciens ont obtenu des preuves circonstancielles de l'existence de glace superionique. Ils ont pressé une goutte d'eau à température ambiante entre les extrémités pointues de deux diamants taillés. Lorsque la pression est montée à environ un gigapascal, ce qui est environ 10 fois plus qu'au fond de la fosse des Mariannes, l'eau s'est transformée en un cristal tétragonal, la glace-VI. À 2 gigapascals, il s'est transformé en Ice-VII, une forme cubique plus dense et transparente à l'œil nu, dont les scientifiques ont récemment découvert qu'il existe également dans de minuscules poches à l'intérieur de diamants naturels.
Puis, à l'aide d'un laser OMEGA au Laser Energy Lab, Millo et ses collègues ont visé Ice-VII, toujours pris en sandwich entre des enclumes de diamant. Lorsque le laser a frappé la surface du diamant, il a vaporisé le matériau vers le haut, jetant essentiellement le diamant dans la direction opposée et envoyant une onde de choc à travers la glace. L'équipe de Millo a découvert que la glace super-comprimée fondait à environ 4700 degrés Celsius, comme prévu pour la glace superionique, et qu'elle conduisait l'électricité par le mouvement de protons chargés.
Après que les prédictions sur les propriétés globales de la glace superionique aient été confirmées, une nouvelle étude de Coppari et Millo aurait dû confirmer sa structure. Si vous souhaitez confirmer la nature cristalline, vous avez besoin d'une diffraction des rayons X.
Leur nouvelle expérience a complètement manqué ice-VI et ice-VII. Au lieu de cela, l'équipe a simplement brisé l'eau entre les enclumes de diamant avec des tirs laser. Des milliards de secondes plus tard, alors que les ondes de choc pénétraient et que l'eau commençait à se cristalliser en glaçons nanométriques, les scientifiques ont ajouté 16 faisceaux laser supplémentaires pour vaporiser un mince morceau de fer à côté de l'échantillon. Le plasma résultant a inondé l'eau de cristallisation de rayons X, qui ont ensuite diffracté des cristaux de glace et ont permis à l'équipe de distinguer leur structure.
Les atomes dans l'eau se sont réarrangés dans l'architecture prévue depuis longtemps mais jamais vue auparavant, ice-XVIII: un réseau cubique avec des atomes d'oxygène à chaque coin et au centre de chaque face.
Et ce genre de validation croisée réussie des simulations et de la glace superionique réelle suggère que le «rêve» ultime des chercheurs en physique des matériaux pourrait bientôt être réalisé. «Vous me dites de quelles propriétés matérielles vous avez besoin, nous allons à un ordinateur et nous déterminons théoriquement de quel matériau et de quelle structure cristalline vous avez besoin», explique Raymond Janlose, scientifique à l’Université de Californie à Berkeley.
La nouvelle analyse suggère également que si la glace superionique conduit un peu d'électricité, elle est lâche mais solide. Il se répandra progressivement, mais ne coulera pas. Ainsi, les couches liquides à l'intérieur d'Uranus et de Neptune peuvent s'arrêter à environ 8000 kilomètres à l'intérieur des terres, où un énorme manteau de glace superionique instable commencera. Cela limite la plupart des actions de dynamo à des profondeurs moins profondes, étant donné les champs inhabituels des planètes.
D'autres planètes et lunes du système solaire n'ont probablement pas les températures et les pressions internes qui permettraient à la glace superionique d'exister. Mais la multitude d'exoplanètes de la taille des géantes de glace suggère que cette substance - la glace superionique - sera distribuée dans les mondes de glace à travers la galaxie.
Bien sûr, aucune planète ne contiendra de l'eau seule. Les géants de glace de notre système solaire sont également mélangés avec du méthane et de l'ammoniac. La mesure dans laquelle le comportement superionique trouve réellement sa place dans la nature "dépendra de l'existence ou non de ces phases lorsque nous mélangeons l'eau avec d'autres matériaux", disent les scientifiques. Cependant, l'ammoniac superionique doit également exister.
Les expériences continuent. Pensez-vous que nous découvrirons un jour ce qui est au centre des plus grands corps de notre système solaire?
Ilya Khel