Des chercheurs ont réalisé une percée dans l'observation de l'interface glace-liquide en utilisant de l'antigel et un microscope réfrigéré. Ils ont découvert que la glace dans l'antigel reste plate avec des changements structurels minimes par rapport à sa transformation rapide dans l'eau. (Concept d'artiste.) Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle étude a permis d'observer avec succès la structure de la glace dans l'antigel, révélant une surface plane avec des marches moléculaires occasionnelles, améliorant ainsi notre compréhension de l'interaction de la glace avec les liquides.
Dans la nature, la glace est entourée de liquide la plupart du temps. Il est donc essentiel de comprendre comment la glace et le liquide interagissent. Une étude de l'Université de Kobe et de l'Institut des sciences moléculaires a désormais pu pour la première fois observer directement la forme précise de la glace à l'interface entre la glace et le liquide, en utilisant de l'antigel et un microscope réfrigéré.
Lorsque nous glissons sur la glace, lorsque des flocons de neige se forment, lorsque nous léchons de la glace, la surface de la glace est toujours recouverte d'eau liquide, et il est essentiel de comprendre l'interaction entre l'eau liquide et la glace pour comprendre l'ensemble du phénomène. Cependant, comme la glace et l'eau se transforment rapidement l'une en l'autre, il a été impossible d'observer directement l'interface entre les deux.
Pour mieux comprendre comment la glace interagit avec le liquide qui l'entoure, des chercheurs dirigés par Hiroshi Onishi de l'université de Kobe ont décidé de tenter une autre solution. « Nous avons eu l'idée de mesurer la glace immergée dans un antigel dont la température est inférieure à 0 °C. De cette façon, la glace ne fond pas et l'interface ne bouge pas, ce qui devrait permettre de faire des observations précises », explique-t-il.
« Après plusieurs essais et erreurs, nous avons découvert que nous devions refroidir l’ensemble du système de microscope dans une boîte de refroidissement. Il a fallu faire preuve d’ingéniosité pour garantir que le microscope à force atomique, un instrument de mesure de précision, puisse fonctionner de manière stable à des températures inférieures à zéro », explique Hiroshi Onishi. Crédit : Hiroshi Onishi
Malgré tout, les chercheurs ont eu du mal à obtenir des mesures précises de la glace. « Après plusieurs essais et erreurs, nous avons découvert qu’il fallait refroidir l’ensemble du système de microscope dans une boîte de refroidissement. Il a fallu faire preuve d’ingéniosité pour garantir que le microscope à force atomique, un instrument de mesure de précision, puisse fonctionner de manière stable à des températures inférieures à zéro », explique le chercheur de l’Université de Kobe.
Dans Journal de physique chimiquele groupe a publié ses résultats. Ils ont découvert que, alors que la glace sans liquide environnant présente ce que l’on appelle des « piliers de givre » d’environ 20 nanomètres de haut, dans l’antigel, la glace est parfaitement plate avec des marches occasionnelles d’une seule couche moléculaire de hauteur. « Nous pensons que la surface plane est formée par… dissolution partielle et recristallisation de la surface de la glace dans le liquide 1-octanol (l’antigel) », écrivent les chercheurs dans l’article.
Alors que la glace sans liquide environnant (A) présente ce que l’on appelle des « piliers de givre » d’environ 20 nanomètres de haut, dans l’antigel 1-octanol (B), la glace est parfaitement plate avec des marches occasionnelles d’une seule couche moléculaire de hauteur. Dans différents liquides (C : 1-hexanol. D : 1-butanol) aux propriétés similaires, la surface de la glace apparaît différente dans chaque cas, ce qui souligne l’importance de mesurer directement l’interface. Crédit : Ryo Yanagisawa
Onishi et son équipe ont également testé différents liquides, tous des alcools comme le 1-octanol. Et même si tous les liquides testés ont des propriétés similaires, ils ont observé que la surface de la glace est différente dans chaque cas, ce qui souligne l’importance de mesurer directement l’interface. En outre, ils ont étudié la « dureté » de la surface de la glace sous l’effet du 1-octanol et ont découvert que la glace est beaucoup plus dure que ce que l’on estimait auparavant à l’aide de méthodes moins directes.
Les chercheurs espèrent que leurs résultats encourageront d’autres études sur l’interface glace-liquide, mais ils ont également fixé des objectifs clairs pour leurs propres travaux futurs : « Nous espérons augmenter la résolution du microscope pour les molécules d’eau individuelles et utiliser des méthodes de mesure autres que la microscopie à force atomique. De cette manière, nous espérons élargir la gamme des applications possibles des mesures au niveau moléculaire de l’interface glace-antigel. »
Cette recherche a été financée par le ministère de l'Éducation, de la Culture, des Sports, des Sciences et de la Technologie du Japon (subventions JPMXP1222MS0008 et JPMXP1223MS0001) et par la Société japonaise pour la promotion de la science (subventions 21K18935 et 23H05448). Elle a été menée en collaboration avec des chercheurs de l'Institut des sciences moléculaires des Instituts nationaux des sciences naturelles.
