« Space Ice » contient de minuscules cristaux et n'est pas un matériau complètement désordonné comme l'eau liquide, comme cela le suppose précédemment, selon une nouvelle étude de scientifiques de l'UCL (University College London) et de l'Université de Cambridge.
La glace dans l'espace est différente de la forme cristalline (hautement ordonnée) de glace sur Terre. Pendant des décennies, les scientifiques ont supposé qu'il était amorphe (sans structure), avec des températures plus froides, ce qui signifie qu'elle n'a pas assez d'énergie pour former des cristaux lorsqu'elle gèle.
Dans la nouvelle étude, publiée dans Revue physique B, Les chercheurs ont étudié la forme de glace la plus courante dans l'univers, la glace amorphe de basse densité, qui existe comme matériau en vrac dans les comètes, sur des lunes glacées et dans des nuages de poussière où les étoiles et les planètes se forment.
Ils ont constaté que les simulations informatiques de cette glace correspondent les mieux à des mesures à partir d'expériences précédentes si la glace n'était pas entièrement amorphe mais contenait de minuscules cristaux (environ trois nanomètres de large, légèrement plus larges qu'un seul brin d'ADN) intégré dans ses structures désordonnées.
Dans les travaux expérimentaux, ils ont également recrit (c'est-à-dire échantillon réchauffé) de vrais échantillons de glace amorphe qui s'étaient formés de différentes manières. Ils ont constaté que la structure cristalline finale variait selon la façon dont la glace amorphe était née. Si la glace avait été pleinement amorphe (entièrement désordonnée), les chercheurs ont conclu, il ne conserverait aucune empreinte de sa forme antérieure.
L'auteur principal du Dr Michael B. Davies, qui a fait le travail dans le cadre de son doctorat. À l'UCL Physics & Astronomy et l'Université de Cambridge, a déclaré: « Nous avons maintenant une bonne idée de ce à quoi ressemble la forme de glace la plus courante dans l'univers au niveau atomique.
« Ceci est important, car la glace est impliquée dans de nombreux processus cosmologiques; par exemple, dans la façon dont les planètes se forment, comment les galaxies évoluent et comment la matière se déplace dans l'univers. »
Les résultats ont également des implications pour une théorie spéculative sur le début de la vie sur terre. Selon cette théorie, connue sous le nom de panspermie, les éléments constitutifs de la vie ont été transportés ici sur une comète de glace, avec de la glace amorphe à basse densité, la navette spatiale dans laquelle des ingrédients tels que des acides aminés simples ont été transportés.
Le Dr Davies a déclaré: « Nos résultats suggèrent que cette glace serait un matériau de transport moins bon pour ces molécules d'origine de la vie. C'est parce qu'une structure partiellement cristalline a moins d'espace dans lequel ces ingrédients pourraient devenir intégrés. La théorie pourrait encore être vraie, cependant, car il y a des régions amorphes dans la glace où les blocs de construction de la vie pouvaient être piégeés et stockés. »
Le co-auteur, le professeur Christoph Salzmann, de la chimie de l'UCL, a déclaré: « La glace sur terre est une curiosité cosmologique en raison de nos températures chaudes. Vous pouvez voir sa nature ordonnée dans la symétrie d'un flocon de neige. La glace dans le reste de l'univers a longtemps été considérée comme un instantané de l'eau liquide.
« Nos résultats soulèvent également des questions sur les matériaux amorphes en général. Ces matériaux ont des utilisations importantes dans une technologie de grande taille: par exemple, les fibres de verre qui transportent des données de longues distances doivent être amorphes ou désordonnées, pour leur fonction. S'ils contiennent de minuscules cristaux et que nous pouvons les supprimer, cela améliorera leurs performances. »
Pour l'étude, les chercheurs ont utilisé deux modèles informatiques d'eau. Ils ont gelé ces «boîtes» virtuelles de molécules d'eau en refroidissant à -120 degrés Celsius à différents taux. Les différents taux de refroidissement ont conduit à des proportions variables de glace cristalline et amorphe.
Ils ont constaté que la glace qui était jusqu'à 20% cristalline (et 80% amorphe) semblait correspondre étroitement à la structure de la glace amorphe de basse densité comme dans les études de diffraction des rayons X (c'est-à-dire où les chercheurs tirent des rayons X à la glace et analysent comment ces rayons sont dégradés).
En utilisant une autre approche, ils ont créé de grandes « boîtes » avec de nombreux petits cristaux de glace étroitement serrés ensemble. La simulation a ensuite désordonné les régions entre les cristaux de glace, atteignant des structures très similaires par rapport à la première approche avec 25% de glace cristalline.
Dans des travaux expérimentaux supplémentaires, l'équipe de recherche a créé de réels échantillons de glace amorphe de basse densité de plusieurs manières, de la dépôt de vapeur d'eau à une surface extrêmement froide (comment la glace se forme sur les grains de poussière dans les nuages interstellaires) à l'échauffement de ce qui est connu sous le nom de glace amorphe à haute densité (glace qui a été écrasée à des températures extrêmement froides).
L'équipe a ensuite doucement chauffé ces sites amorphes afin qu'ils aient l'énergie pour former des cristaux. Ils ont remarqué des différences dans la structure des ICE en fonction de leur origine – en particulier, il y avait une variation de la proportion de molécules empilées dans un arrangement de six fois (hexagonal).
C'était une preuve indirecte, ont-ils dit, que la glace amorphe à basse densité contenait des cristaux. S'il était pleinement désordonné, ont-ils conclu, la glace ne conserverait aucune mémoire de ses formes antérieures.
L'équipe de recherche a déclaré que leurs résultats avaient soulevé de nombreuses questions supplémentaires sur la nature des sites amorphes – par exemple, si la taille des cristaux variait selon la façon dont la glace amorphe s'est formée et si une glace vraiment amorphe était possible.
La glace amorphe a été découverte pour la première fois sous sa forme basse densité dans les années 1930 lorsque les scientifiques ont condensé la vapeur d'eau sur une surface métallique refroidie à -110 degrés Celsius. Son état de haute densité a été découvert dans les années 1980 lorsque la glace ordinaire a été comprimée à près de -200 degrés Celsius.
L'équipe de recherche derrière le dernier article, basé à la fois à l'UCL et à l'Université de Cambridge, a découvert la glace amorphe de densité moyenne en 2023. Cette glace s'est avérée avoir la même densité que l'eau liquide (et ne serait donc ni coulé ni flotter dans l'eau).
Le co-auteur, le professeur Angelos Michaelides, de l'Université de Cambridge, a déclaré: « L'eau est le fondement de la vie, mais nous ne le comprenons toujours pas pleinement. Les glaces amorphes peuvent tenir la clé pour expliquer certaines des nombreuses anomalies de l'eau. »
Le Dr Davies a déclaré: « La glace est potentiellement un matériau haute performance dans l'espace. Il pourrait protéger les engins spatiaux du rayonnement ou fournir du carburant sous forme d'hydrogène et d'oxygène. Nous devons donc connaître ses différentes formes et propriétés. »
