La crème glacée se décline en de nombreuses saveurs différentes. Mais même la glace pure, composée uniquement de molécules d’eau, existe sous plus de 20 formes ou phases solides différentes qui diffèrent par la disposition des molécules. Les phases sont nommées avec des chiffres romains, comme ice I, ice II ou ice III. Aujourd'hui, des chercheurs dirigés par des scientifiques de l'Institut coréen de recherche sur les normes et les sciences (KRISS) ont identifié et décrit une nouvelle phase appelée glace XXI. Les résultats sont publiés dans la revue Matériaux naturels.
L'équipe internationale de chercheurs a mené ses expériences au XFEL européen, le plus grand laser à rayons X au monde, et à la source de photons à haute énergie Petra III de DESY. La glace XXI est structurellement distincte de toutes les phases de glace observées précédemment. Elle se forme lorsque l’eau est rapidement comprimée en eau surcomprimée à température ambiante et est métastable, ce qui signifie qu’elle peut exister pendant un certain temps même si une autre forme de glace serait plus stable dans ces conditions. Cette découverte offre des informations importantes sur la formation de la glace à haute pression.
Eau ou H2O, bien qu’il ne soit composé que de deux éléments, présente une complexité remarquable à l’état solide. La majorité des phases sont observées à hautes pressions et basses températures. L’équipe en a appris davantage sur la façon dont les différentes phases de la glace se forment et changent avec la pression.
« La compression rapide de l'eau lui permet de rester liquide jusqu'à des pressions plus élevées, où elle aurait déjà dû se cristalliser en glace VI », explique Geun Woo Lee, scientifique du KRISS. Ice VI est une phase particulièrement intrigante, censée 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.
Étant donné que la plupart des variantes de glace n’existent que dans des conditions extrêmes, les chercheurs ont créé des conditions de haute pression à l’aide de cellules à enclume en diamant. L'échantillon, en l'occurrence 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 (une milliseconde équivaut à un millième de seconde) avec un taux de compression de 120 gigapascals par seconde. Ils ont ensuite relâché la cellule à enclume sur une période d'une seconde. Ceci a été réalisé grâce à un entraînement piézoélectrique, qui exploite la capacité des matériaux piézoélectriques à se dilater ou à se contracter lorsqu'un champ électrique est appliqué.
Au cours de ces cycles, l’équipe a utilisé les flashs à rayons X du XFEL européen pour capturer des images de l’échantillon toutes les microsecondes, soit un millionième de seconde. Grâce à son taux extrêmement élevé d'impulsions de rayons X, fonctionnant comme une caméra à grande vitesse, ils pourraient réaliser des films sur la formation de la structure de la glace. Au cours d’une expérience de suivi sur la ligne de lumière P02.2 de PETRA III, ils 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 H2O qui a été rapidement compressé et décompressé plus de 1 000 fois à l'aide d'une cellule à enclume dynamique en diamant », explique 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 », déclare Cornelius Strohm de l'équipe DESY HIBEF qui a mis en œuvre cette configuration au niveau de l'instrument à haute densité d'énergie (HED) du XFEL européen.
« La structure dans laquelle le liquide H2O cristallise dépend du degré de surcompression du liquide », explique 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 », ajoute Rachel Husband de l'équipe DESY HIBEF.
Sakura Pascarelli, directrice scientifique du XFEL européen, note : « C'est fantastique de voir un autre grand résultat de notre Water Call, une initiative invitant les scientifiques à proposer des études innovantes sur l'eau. Nous attendons avec impatience de nombreuses autres découvertes passionnantes à venir. »
