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En utilisant des températures ultra-froides et des roulements à billes en acier, les scientifiques ont créé une toute nouvelle forme de glace bizarre qui a la même densité que l’eau liquide.
La glace, connue sous le nom de glace amorphe de densité moyenne, s’inscrit dans une lacune dans les annales de l’eau gelée dont les scientifiques n’étaient pas sûrs qu’elle serait jamais comblée. Contrairement à la glace cristalline qui se forme naturellement sur Terre, la glace nouvellement créée n’a pas de structure moléculaire organisée. Au lieu de cela, ses molécules sont dans un décalage chaotique, plus comme du verre – un état connu sous le nom d’amorphe. D’autres types de glace amorphe ont été fabriqués auparavant, mais ils étaient soit beaucoup moins denses, soit beaucoup plus denses que l’eau liquide. Cette nouvelle version Goldilocks de la glace amorphe se trouve en plein milieu, correspondant presque exactement à la densité de l’eau liquide, ont expliqué les chercheurs dans une nouvelle étude publiée dans la revue Science aujourd’hui (2 février).
« C’est quelque chose de complètement nouveau », a déclaré l’auteur principal de l’étude Christophe Salzman (s’ouvre dans un nouvel onglet)professeur de chimie physique et des matériaux à l’University College de Londres.
Broyage de la glace
Lorsque la glace gèle normalement sur Terre, ses molécules s’empilent en une structure cristalline organisée. Cette glace cristalline est l’une des bizarreries étranges de H2O, car elle flotte sur l’eau liquide à l’état solide plutôt que de couler. Cela est dû aux écarts relativement importants dans la structure cristalline de la glace d’eau, par rapport à d’autres matériaux qui forment des structures plus denses lorsqu’ils cristallisent.
Cependant, lorsqu’elle est correctement manipulée, l’eau liquide peut également geler dans un état désorganisé et amorphe. Le premier de ces états, la glace amorphe de faible densité, a été découvert dans les années 1930. Il est fabriqué en déposant de la vapeur d’eau sur des surfaces très froides. Ce processus se produit naturellement dans l’espace, a déclaré Salzmann, de sorte que la glace amorphe de faible densité pourrait être la forme de glace la plus courante dans l’univers.
Dans les années 1980, les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient également fabriquer de la glace amorphe de haute densité en comprimant de la glace ordinaire à très faible températures. Mais personne n’avait jamais fabriqué de glace amorphe de densité moyenne – c’est-à-dire jusqu’à ce que Salzmann et ses collègues aient une « idée folle du vendredi après-midi ». Ils ont décidé d’essayer le broyage à billes de la glace.
Un broyeur à boulets est un appareil qui ressemble à un shaker à cocktail très avancé. Un matériau est placé dans une chambre avec des billes en acier inoxydable et secoué ou tourné jusqu’à ce que le matériau soit broyé. Le broyage à billes est utilisé dans de nombreuses industries, mais il est particulièrement efficace pour créer des matériaux amorphes et pour broyer des matériaux mous et congelés en poudres, a déclaré Salzmann.
« Nous avons dit: » Pourquoi ne pas broyer de la glace à boulets et voir ce qui se passe? « », A déclaré Salzmann.
Propriétés étranges
Les chercheurs s’attendaient à ce que le broyeur à boulets brise simplement les cristaux de glace en cristaux de glace plus petits. Mais ce n’est pas ce qui s’est passé. Au lieu de cela, les boules d’acier tombant ont cisaillé et comprimé les cristaux de glace, les poussant dans un nouvel état de désorganisation. Le résultat? Glace amorphe de moyenne densité.
La modélisation informatique a montré que la glace commence dans un bel état cristallin, ses liaisons hydrogène formant un réseau hexagonal. Le cisaillement aléatoire du broyage à boulets pousse ces liaisons hydrogène dans un sens et dans l’autre, les laissant pointer de haut en bas dans un zigzag chaotique.
La nouvelle forme de glace se forme à 77 kelvins, soit moins 321 degrés Fahrenheit (moins 196 degrés Celsius). Il a des propriétés étranges au-delà de sa densité de 1,06 gramme par centimètre cube (0,037 once par 0,06 pouce cube). (L’eau a une densité de 1 gramme par centimètre cube, ou 0,035 once par 0,06 pouce cube.) Parmi eux, a déclaré Salzmann, c’est que lorsque les chercheurs ont comprimé la glace de densité moyenne et l’ont chauffée à moins 185 F (moins 120 C) , la glace se recristallise en dégageant une grande quantité de chaleur.
« Avec d’autres formes de [amorphous] glace, si vous les comprimez et que vous relâchez la pression, c’est comme si de rien n’était », a déclaré Salzmann. « Mais le MDA [medium-density amorphous ice] a en quelque sorte cette capacité à stocker l’énergie mécanique et à la libérer par chauffage. »
De la glace amorphe de densité moyenne pourrait se produire naturellement sur les lunes de glace des planètes géantes gazeuses, a déclaré Salzmann, où les forces gravitationnelles des énormes mondes compriment et cisaillent la glace des lunes. Si tel est le cas, l’énergie mécanique stockée dans cette forme de glace pourrait influencer la tectonique de ces lunes de type Hoth.
Comprendre la glace amorphe de densité moyenne pourrait également aider les chercheurs à mieux comprendre l’eau liquide de manière plus générale, a déclaré Salzmann. L’eau est étrange non seulement parce que sa forme cristalline flotte, mais aussi parce qu’elle possède d’autres propriétés uniques, comme une tension superficielle élevée et des points de fusion et d’ébullition élevés. Les scientifiques débattent encore de la nature de l’eau à des températures extrêmement basses. Tout débat doit désormais prendre en compte la glace amorphe de densité moyenne, a déclaré Salzmann.
« Une grande partie de notre compréhension de l’eau liquide a été construite sur les piliers qu’il existe de la glace amorphe à faible densité et à haute densité », a-t-il déclaré. « Comment la glace amorphe de densité moyenne s’intègre-t-elle dans cette image? »
Note de l’éditeur : mis à jour à 10h51 HNE le 3 février pour corriger les perforations typographiques en onces.
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