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Une eau de forme inhabituelle peut être la plus répandue dans l’univers.

Récemment au Laboratoire d’énergie laser àBrighton, dans l’État de New York, l’un des lasers les plus puissants au monde a heurté une goutte d’eau, créant une onde de choc qui a fait monter la pression dans cette eau à des millions d’atmosphères et la température à des milliers de degrés. Les rayons X qui ont traversé cette chute en une fraction de seconde ont montré le premier aperçu de l’eau à l’humanité dans des conditions aussi extrêmes. Ils ont montré que l'eau à l'intérieur de l'onde de choc ne devenait ni liquide ni gaz surchauffé. Non, l'eau est gelée.

Paradoxalement, les atomes d'eau ont gelé pour former de la glace cristalline. Cependant, comme les physiciens l'ont supposé, plissant les yeux dans les écrans de la pièce voisine.

"Vous entendez le coup et au même moment, vous voyez quequelque chose d’intéressant est arrivé », explique Marius Millo du Laboratoire national Livermore. Lawrence, qui a mené l'expérience avec Federica Coppari.

Qu'advient-il de l'eau à haute pression et température?

Les résultats de cet article, publié sur ceUne semaine dans la nature confirme l’existence de "glace superionique", nouvelle phase d’eau aux propriétés de fantaisie. Contrairement à la glace que vous connaissez bien, que vous pouvez trouver dans le congélateur ou au pôle nord, la glace superionique est noire et chaude. Le cube de cette glace pesait quatre fois plus que d’habitude. Pour la première fois, son existence avait été prédite il y a plus de 30 ans et, bien que cela n'ait jamais été vu auparavant, les scientifiques pensent qu'elle peut être l'un des types d'eau les plus répandus dans l'univers.

Même dans le système solaire, la plus grande partie de l'eau,probablement sous la forme de glace superionique - dans les profondeurs d'Uranus et de Neptune. C'est plus que de l'eau liquide dans les océans de la Terre, de l'Europe et d'Encelade. La découverte de glace superionique pourrait résoudre de vieilles énigmes sur la composition de ces «géants de la glace».

Les scientifiques ont déjà découvert dix-huit étonnantsarchitectures de cristaux de glace, y compris l'arrangement hexagonal de molécules d'eau dans la glace ordinaire (Ih). Après ice-I, qui est de deux formes, Ih et Ic, les autres formes sont numérotées de II à XVII dans l'ordre d'ouverture. Oui, “ice-9” existe, mais ses propriétés ne sont pas du tout identiques à celles du roman Cat's Cradle de Kurt Vonnegut.

La glace superionique peut réclamer le manteauGlace XVIII. C'est un nouveau cristal, mais il y a une chose dedans. Toutes les glaces à l'eau connues antérieurement sont constituées de molécules d'eau intactes, dans lesquelles un atome d'oxygène est lié à deux atomes d'hydrogène. Mais comme le montrent de nouvelles mesures, le superion ice n’est pas comme ça. Il existe dans une sorte de membre surréaliste, mi-solide, mi-liquide. Des molécules d'eau séparées se désintègrent. Les atomes d’oxygène forment un réseau cubique, mais les atomes d’hydrogène s’écoulent librement, coulant comme un liquide dans une cellule rigide à oxygène.

Les spécialistes disent la détection du superioniqueLa glace justifie les prédictions informatiques qui peuvent aider les scientifiques en matériaux à créer de futures substances aux propriétés individuelles. Et la détection de cette glace a nécessité des mesures ultra-rapides et un contrôle précis de la température et de la pression, ce qui n’a été possible que grâce à des méthodes expérimentales améliorées.

"Il était impossible de faire, disons, cinqil y a des années », déclare Christoph Salzmann de l'University College London, qui a ouvert les ice-XIII, -XIV et XV. "Cela aura certainement un impact énorme."

Physicien Libye Bove du Centre national des sciencesDes études françaises estiment que depuis la désintégration des molécules d'eau, il ne s'agit pas d'une phase d'eau entièrement nouvelle. "C'est un nouvel état de la matière, qui est assez impressionnant."

Puzzles sur glace

Les physiciens sont à la recherche de la glace superionique depuis de nombreuses années -puisque la simulation informatique primitive de Pierfranco Demontis en 1988 avait prédit que l’eau prendrait cette forme étrange, presque métallique, si elle était retirée de la carte des phases de glace connues.

La simulation a montré que sous forte pressionet la chaleur de la molécule d'eau est détruite. Les atomes d'oxygène sont enfermés dans un réseau cubique et «l'hydrogène commence à sauter d'une position du cristal à une autre, encore et encore», dit Millo. Ces sauts entre les sites du réseau sont si rapides que les atomes d'hydrogène - qui sont ionisés et se transforment en fait en protons chargés positivement - se comportent comme un liquide.

Il a été suggéré que superion iceconduira l'électricité comme un métal, et l'hydrogène jouera le rôle des électrons. La présence de ces atomes d'hydrogène libres renforcera également le désordre de la glace, son entropie. À son tour, une augmentation de l'entropie rendra la glace plus stable que d'autres types de cristaux de glace, ce qui entraînera une augmentation de son point de fusion.

C'est facile à imaginer, croyez-le -dur Les premiers modèles utilisaient une physique simplifiée, explorant la nature quantique de molécules réelles. Des simulations ultérieures ont ajouté davantage d'effets quantiques, mais contournaient encore les équations nécessaires pour décrire l'interaction de plusieurs corps quantiques, ce qui est trop difficile à calculer. Au lieu de cela, ils se sont appuyés sur des approximations, ce qui augmentait la probabilité que l'ensemble du scénario se révèle être un mirage dans la simulation. Les expériences, quant à elles, ne pouvaient pas créer la pression nécessaire et générer suffisamment de chaleur pour faire fondre cette substance puissante.

Et quand tout le monde a déjà abandonné cette entreprise, les planétologuesont exprimé leurs propres soupçons que l’eau pourrait avoir une phase de glace superionique. À peu près au même moment où cette phase avait été prédite pour la première fois, la sonde Voyager-2 pénétra dans le système solaire externe et découvrit quelque chose d'étrange dans les champs magnétiques des géants de la glace Uranus et Neptune.

Les champs autour des autres planètes du système solaire,apparemment constitués de pôles nord et sud strictement définis, sans autre structure particulière. Il semble qu’ils contiennent des barres magnétiques alignées sur les axes de rotation. Les planétologues associent cela à une «dynamo»: des régions internes où les fluides conducteurs montent et tournent lorsque la planète tourne, créant ainsi d'énormes champs magnétiques.

En revanche, les champs magnétiques émanant d’Uranus et deNeptune, semblait plus volumineux et complexe, avec plus de deux pôles. Ils ne s'alignaient pas non plus étroitement avec la rotation de leurs planètes. Une façon d'y parvenir est de limiter en quelque sorte le fluide conducteur responsable de la dynamo à l'enveloppe externe mince de la planète, au lieu de lui permettre de pénétrer dans le noyau.

Mais l'idée que ces planètes peuvent avoirLes noyaux solides incapables de générer des dynamos ne semblaient pas réalistes. Si vous aviez foré ces géantes de la glace, vous devriez vous attendre à rencontrer une couche d’eau ionique qui coulera, conduira des courants et participera à une dynamo. Il semble que même les matériaux les plus profonds, même à des températures plus élevées, seront également liquides, mais cela reste naïf. Les scientifiques planétaires ont pour blague que les entrailles d'Uranus et de Neptune ne peuvent pas être fermes du tout. Mais il s'est avéré qu'ils peuvent.

Glace explosive

Coppari, Millo et leur équipe ont assemblé les pièces du puzzle.

Dans une expérience antérieure publiée dansEn février 2018, les physiciens ont obtenu des preuves indirectes de l’existence de glace superionique. Ils ont pressé une goutte d'eau à la température ambiante entre les extrémités pointues de deux diamants taillés. Lorsque la pression a atteint environ le gigapascal, ce qui est environ 10 fois plus qu'au fond de la fosse des Mariannes, l'eau s'est transformée en un cristal tétragonal, glace-VI. À 2 gigapascals, il s'est transformé en ice-VII, une forme cubique plus dense, transparente à l'œil nu, que les scientifiques ont récemment découverte, existe aussi dans de minuscules poches à l'intérieur de diamants naturels.

Ensuite, en utilisant le laser OMEGA en laboratoireEnergie laser, Millo et ses collègues se sont tournés vers la glace VII, toujours prise en sandwich entre des enclumes de diamant. Lorsque le laser frappe la surface du diamant, il vaporise le matériau, projetant le diamant dans la direction opposée et envoyant une onde de choc à travers la glace. L'équipe de Millo a découvert que la glace super-concassée avait fondu à une température d'environ 4 700 degrés Celsius, comme prévu pour la glace super-ionique, et qu'elle conduisait de l'électricité grâce au mouvement de protons chargés.

Après avoir fait des prédictions concernant le vracLes propriétés de la glace superionique ont été confirmées, une nouvelle étude de Coppari et Millo devait confirmer sa structure. Si vous souhaitez confirmer la nature cristalline, vous avez besoin de la diffraction des rayons X.

Leur nouvelle expérience a raté ice-VI et ice-VIIdu tout. Au lieu de cela, l'équipe a simplement cassé l'eau entre les enclumes de diamant avec des tirs au laser. Après des milliards de fractions de seconde, alors que les ondes de choc pénétraient à l'intérieur et que l'eau commençait à se cristalliser en glaçons de la taille d'un nanomètre, les scientifiques ont ajouté 16 rayons laser supplémentaires pour évaporer un mince morceau de fer à côté de l'échantillon. Le plasma résultant a inondé l’eau en cours de cristallisation de rayons X, qui se sont ensuite diffractés des cristaux de glace et ont permis à l’équipe de discerner leur structure.

Les atomes dans l’eau ont été réorganisés dans l’architecture glacée XVIII, longtemps attendue, mais jamais vue auparavant: un réseau cubique avec des atomes d’oxygène à chaque coin et au centre de chaque face.

"C'est une véritable avancée", a déclaré Koppari.

«Le fait que l'existence de cette phase ne soit pas un artefact de la modélisation dynamique quantique-moléculaire, mais tout à fait réel est très bon», déclare Beauvais.

Et ce genre de validation croisée réussie commela modélisation, et la glace superionique actuelle suggère que le "rêve" ultime des chercheurs en physique des matériaux peut bientôt être réalisé. «Vous me dites de quel type de propriétés matérielles vous avez besoin, nous allons à l'ordinateur et découvrons théoriquement de quelle matière et de la structure cristalline vous avez besoin», déclare Raymond Gianlos, scientifique à l'Université de Californie à Berkeley.

La nouvelle analyse laisse également entendre que, bien queLa glace superionique conduit de l'électricité, c'est une substance lâche, mais solide. Il se répandra progressivement, mais ne coulera pas. Ainsi, les couches liquides à l'intérieur d'Uranus et de Neptune peuvent s'arrêter à environ 8 000 kilomètres à l'intérieur des terres, où débutera l'immense manteau de glace superionique instable. Cela limite la plupart des actions de dynamo à des profondeurs moindres, compte tenu des champs inhabituels des planètes.

Autres planètes et lunes du système solaire,probablement, ils n'ont pas de températures internes et de pressions qui permettraient à la glace superionique d'exister. Mais la multitude d’exoplanètes de la taille de géantes de glace suggère que cette substance - la glace superionique - sera distribuée dans les mondes de glace de la galaxie.

Bien sûr, aucune planète n'en contiendraseulement de l'eau. Les géantes de glace dans notre système solaire sont également mélangées avec du méthane et de l'ammoniac. La mesure dans laquelle le comportement superionique trouve réellement une place dans la nature "dépendra de l'existence de ces phases lorsque nous mélangeons de l'eau avec d'autres matériaux", expliquent les scientifiques. Cependant, l'ammoniac superionique doit également exister.

Les expériences sont en cours. Pensez-vous que nous saurons une fois ce qui se trouve au centre des plus gros corps de notre système solaire? Partagez votre opinion sur notre chat à Telegram.