Personne ne peut contrôler la météo, mais certains nuages peuvent être délibérément déclenchés pour libérer de la pluie ou de la neige. Le processus, connu sous le nom d’ensemencement des nuages, consiste généralement à disperser de petites particules d’iodure d’argent des avions dans les nuages. Ces particules agissent comme des graines sur lesquelles les molécules d’eau s’accumulent, formant des cristaux de glace qui grandissent et finissent par devenir suffisamment lourds pour tomber au sol sous forme de pluie ou de neige.
Jusqu’à présent, les détails microscopiques de ce processus restaient flous. À l'aide de microscopie à haute résolution et de simulations informatiques, des chercheurs de la TU Wien ont étudié comment l'iodure d'argent interagit avec l'eau à l'échelle atomique.
Leurs conclusions, publiées dans Avancées scientifiquesrévèlent que l'iodure d'argent expose deux surfaces fondamentalement différentes, mais qu'une seule d'entre elles favorise la nucléation de la glace. Cette découverte approfondit notre compréhension de la manière dont les nuages forment la pluie et la neige et pourrait guider la conception de matériaux améliorés pour induire des précipitations.
La structure de la surface est la clé de la formation de la glace
« L'iodure d'argent forme des structures hexagonales avec la même symétrie sextuple familière aux flocons de neige », explique Jan Balajka de l'Institut de physique appliquée de la TU Wien, qui a dirigé la recherche. « Les distances entre les atomes correspondent également étroitement à celles des cristaux de glace. Pendant longtemps, on a cru que la similitude structurelle expliquait pourquoi l'iodure d'argent est un noyau si efficace pour la formation de glace. Un examen plus approfondi révèle cependant un mécanisme plus complexe. »
La structure atomique de la surface où se produit la nucléation de la glace diffère de celle à l’intérieur du cristal. Lorsqu'un cristal d'iodure d'argent est clivé, les atomes d'argent se terminent d'un côté et les atomes d'iode de l'autre. « Nous avons constaté que les surfaces à terminaison argent et à terminaison iode se reconstruisent toutes deux, mais de manière complètement différente », explique Johanna Hütner, qui a réalisé les expériences.
La surface terminée par l'argent conserve un arrangement hexagonal qui fournit un modèle idéal pour la croissance d'une couche de glace, tandis que la surface terminée par l'iode se reconstruit en un motif rectangulaire qui ne correspond plus à la symétrie sextuple des cristaux de glace.
« Seule la surface terminée par de l'argent contribue à l'effet de nucléation », explique Balajka. « La capacité de l'iodure d'argent à déclencher la formation de glace dans les nuages ne peut pas s'expliquer uniquement par sa structure cristalline globale. Le facteur décisif est le réarrangement à l'échelle atomique à la surface, un effet qui avait été complètement négligé jusqu'à présent. »
Démêler la nucléation de la glace grâce à des expériences et des simulations
L'équipe de la TU Wien a étudié ces effets en utilisant deux approches complémentaires. Tout d’abord, des expériences ont été menées sous ultravide et à très basse température. De la vapeur d'eau a été déposée sur de petits cristaux d'iodure d'argent et les structures résultantes ont été examinées par microscopie à force atomique à haute résolution.
« L'un des défis était que toutes les expériences devaient être réalisées dans l'obscurité totale », explique Johanna Hütner. « L'iodure d'argent est très sensible à la lumière, une propriété qui le rendait autrefois utile dans les plaques et films photographiques. Nous n'utilisions la lumière rouge qu'occasionnellement lors de la manipulation des échantillons à l'intérieur de la chambre à vide. »
En parallèle, l’équipe a simulé les surfaces et les structures aquatiques qui les recouvrent à l’aide de la théorie fonctionnelle de la densité, une méthode informatique avancée pour la modélisation mécanique quantique des interactions à l’échelle atomique.
« Ces simulations nous ont permis de déterminer quels arrangements atomiques sont énergétiquement les plus stables », explique Andrea Conti, qui a effectué les calculs. « En modélisant avec précision l'interface iodure d'argent-eau, nous avons pu observer comment les toutes premières molécules d'eau s'organisent à la surface pour former une couche de glace. »
« Il est remarquable que pendant si longtemps nous nous soyons appuyés sur une explication phénoménologique plutôt vague du comportement de nucléation de l'iodure d'argent », déclare Ulrike Diebold, responsable du groupe de physique des surfaces à la TU Wien, où l'étude a été menée.
« La nucléation de la glace est un phénomène d'importance capitale pour la physique atmosphérique, et la compréhension à l'échelle atomique fournit une base pour évaluer si d'autres matériaux pourraient servir d'agents de nucléation efficaces. »
