À l'époque des chiens de l'été, faire sauter un plateau d'eau dans le congélateur pour faire des glaçons peut sembler banal. Mais à la plus petite échelle, nous ne savons toujours pas grand-chose sur le déroulement du gel. Maintenant, les premiers films de glace à l'échelle moléculaire révèlent que le cristal qui en résulte est étonnamment flexible, les chercheurs rapportent le 25 septembre Communications de la nature.
La transformation de l'eau liquide en glace est un processus fondamental sur Terre et au-delà. Le processus de congélation et la stabilité de la glace sont vitaux pour les processus atmosphériques, la sécurité des transports et la préservation des tissus biologiques. Pour mieux comprendre ce qui se stabilise et ce qui affaiblit la glace, le scientifique des matériaux Jingshan du et ses collègues ont étudié la façon dont la glace tolère les imperfections structurelles et les petites bulles piégées dans sa structure cristalline.
Regarder de la glace à l'échelle nanométrique est incroyablement difficile. Les liaisons chimiques faibles entre les molécules d'eau peuvent être facilement endommagées par les sources d'énergie utilisées pour l'imagerie à l'échelle atomique, telles que les rayons X et les faisceaux d'électrons. «Vous devez mettre beaucoup d'énergie dans l'échantillon pour obtenir des signaux de niveau atomique», explique Du, du Pacific Northwest National Laboratory à Richland, Wash. «Il est vraiment difficile de stabiliser la glace dans les conditions dont vous avez besoin pour l'imagerie.»
Pour surmonter ces problèmes, les chercheurs ont développé une technique qui impliquait de l'eau liquide en sandwich entre deux membranes de carbone protectrices à l'intérieur d'une cellule cryogénique. En refroidissant lentement la cellule avec de l'azote liquide à –180 ° Celsius, ils ont créé un film de glace encapsulé de moins de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur. L'équipe a ensuite déplacé le sandwich à cristal protégé dans une chambre à vide, nécessaire pour l'imagerie et a capturé des instantanés en succession rapide à l'aide d'un microscope électronique à transmission.
Ensuite, ils ont regardé la magie se dérouler.
Les bulles d'air à l'échelle nanométrique se sont piégées pendant le gel; De nouvelles bulles se sont également formées, déplacées, se sont rétrécies, fusionnées et se sont dissoutes – le tout dans la glace solide. « Ce qui est fascinant, c'est que, tout au long du processus, la glace continue d'être un seul cristal solide », explique Du. Après un examen plus approfondi, les chercheurs ont constaté qu'au lieu d'une surface incurvée lisse, les bulles avaient un motif en zigzag avec des surfaces plates répétées au niveau atomique. « C'est ce à quoi vous vous attendez si vous donnez suffisamment de temps aux bulles pour vous installer, car les bulles incurvées développent des facettes pour se stabiliser », explique-t-il.
Les mesures ont confirmé que ces bulles de gaz piégées n'ont pas filtré le cristal de glace, ce qui pourrait provoquer une fracturation. Au lieu de cela, la structure s'est étonnamment bien adaptée à ces défauts, contrairement à d'autres matériaux tels que les métaux ou la céramique. «La glace est assez satisfaite des bulles», dit Du. La raison, explique-t-il, est que les liaisons chimiques de l'eau le rendent extrêmement flexible et malléable – même en tant que solide. Les simulations informatiques ont confirmé la tolérance unique de l'ICE pour les défauts sans compromettre l'intégrité du cristal.
«Nous espérons que cette nouvelle perspicacité pourra nous guider dans les approches pour prévenir l'accumulation de glace et comment elle se produit», explique Du. Comprendre la dynamique de la façon dont la glace se forme, se développe et se recristalpe est important pour développer des stratégies d'ingénierie qui pourraient inhiber la stabilisation des cristaux sur les ailes d'avion, les routes et d'autres surfaces ainsi que lors de la cryoconservation des tissus, où les cristaux pourraient perforer les cellules et les membranes. Enfin, les résultats pourraient aider à relier les points dans des modèles de comportement des glaciers, où les bulles à petite échelle ont un impact sur la fusion et le mouvement à grande échelle. «Ce que nous avons trouvé, c'est que la glace ne sera pas moins stable avec des bulles», explique Du.
Jungwon Park, chimiste à la Séoul National University qui étudie la dynamique des matériaux à l'échelle nanométrique, dit qu'il est excitant de voir l'une des premières images à l'échelle nano-à l'échelle moléculaire de cristaux de glace, en utilisant une nouvelle méthode pour protéger la glace à partir de l'environnement d'imagerie à haute teneur en vacuum. Son collègue et collègue chimiste Minyoung Lee note que les résultats fournissent «de nouvelles perspectives et de vastes opportunités» pour étudier les effets directement sur l'interface liquide-solide en cristallisation.
«Nous ne regardons pas encore l'eau se gâcher dans la glace», explique Du. « Mais c'est la première étape vers cela. »
