Crystallization of pristine cubic ice from liquid at ambient pressure
Cette étude démontre que la glace cubique vierge (Ic) peut être formée de manière reproductible directement à partir de l'état liquide à pression atmosphérique en refroidissant une solution aqueuse formant des hydrates confinée au sein de silice mésoporeuse, révélant que le nanoconfinement et les promoteurs de clathrates permettent une voie naturellement accessible pour ce polymorphe jusqu'alors insaisissable.
Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète
L'eau est l'une des substances les plus familières sur Terre, pourtant elle cache un secret qui a intrigué les scientifiques pendant des décennies. Lorsque l'eau gèle, elle se transforme généralement en un cristal doté d'une forme spécifique et ordonnée connue sous le nom de glace hexagonale. C'est la glace que nous voyons dans les flocons de neige, les glaciers et nos congélateurs. Cependant, les molécules d'eau peuvent également s'organiser en une forme différente et plus rare appelée glace cubique. Pendant longtemps, les scientifiques ont débattu pour savoir si cette forme cubique pouvait un jour apparaître naturellement à partir de l'eau liquide ou si elle n'existait que comme un mélange éphémère et désordonné de formes qui se transformait rapidement en le type hexagonal commun. La question était importante car si la glace cubique pure peut se former facilement, elle pourrait être bien plus commune dans l'atmosphère et dans l'espace profond que ce que l'on pensait, changeant potentiellement notre compréhension des modèles météorologiques et de la composition des comètes.
Une équipe de chercheurs a maintenant trouvé un moyen de faire apparaître cette glace cubique insaisissable directement à partir d'eau liquide à la pression atmosphérique normale, sans avoir besoin d'un froid extrême ou d'une pression élevée. Pour ce faire, ils ont piégé un mélange d'eau et d'un composé organique spécifique à l'intérieur de minuscules trous spongieux dans un matériau appelé silice. La silice agit comme un contenant doté de millions de tunnels microscopiques, chacun mesurant environ 3,7 nanomètres de large. À l'intérieur de ces tunnels, les chercheurs ont placé un mélange liquide d'eau et de tétrahydrofurane, un produit chimique connu pour aider à former des structures en forme de cages avec les molécules d'eau. Lorsqu'ils ont refroidi ce mélange piégé jusqu'à 150 Kelvin, l'eau a gelé.
Les résultats étaient clairs et reproductibles. En utilisant un instrument puissant qui projette des neutrons sur l'échantillon pour observer comment les atomes sont disposés, les chercheurs ont observé que l'eau s'était transformée en une glace cubique pure et immaculée. Il ne s'agissait pas d'un mélange désordonné de formes ; c'était une structure cristalline unique et uniforme. L'expérience a montré que cette transformation se produisait de manière fiable lorsque le liquide occupait entre 0,34 et 0,60 centimètre cube d'espace pour chaque gramme de silice. Crucialement, les chercheurs ont prouvé que la glace cubique ne s'est formée qu'en raison de la combinaison des minuscules tunnels et de la présence du tétrahydrofurane. Lorsqu'ils ont mené des expériences de contrôle utilisant de l'eau pure ou un autre produit chimique qui ne forme pas de cages, l'eau a gelé en la forme hexagonale commune ou en un mélange désordonné, mais jamais sous la forme de la glace cubique pure.
L'étude a également révélé ce qui arrive aux parties du mélange qui ne gèlent pas. Tandis que l'eau au centre des tunnels s'est transformée en glace cubique, une fine couche de liquide près des parois des tunnels est restée non gelée, devenant un état vitreux et non cristallin. Cette couche vitreuse contient les molécules de tétrahydrofurane, qui semblent interagir avec la surface de la silice et empêcher la formation de la glace à cet endroit. Cette séparation suggère que les molécules organiques jouent un rôle direct dans le guidage des molécules d'eau vers la forme cubique. Les chercheurs ont mesuré la température à laquelle cette glace confinée fond et ont trouvé qu'elle était de 230 Kelvin, ce qui est cohérent avec le comportement de la glace dans de si petits espaces.
Cette découverte suggère que la glace cubique n'est pas seulement une curiosité de laboratoire, mais une forme d'eau stable pouvant exister dans les conditions rencontrées dans la nature. Le dispositif utilisé dans l'expérience imite les environnements où l'eau pourrait être piégée sur de minuscules particules de poussière dans l'atmosphère ou dans les grains de glace des comètes. Dans ces lieux, les molécules organiques et la poussière minérale coexistent souvent, créant les conditions exactes utilisées par les chercheurs pour cultiver la glace. Les conclusions remettent en question l'idée que la glace dans la haute atmosphère ou dans l'espace est principalement un mélange désordonné de formes. Au contraire, elles suggèrent que la glace cubique pure pourrait être la forme primaire dans ces contextes, se formant directement à partir de l'eau liquide lorsque les bons ingrédients sont présents. En démontant que ce processus fonctionne à pression normale et à des températures relativement élevées pour la glace, l'étude ouvre une nouvelle voie pour comprendre comment l'eau se comporte dans les recoins les plus extrêmes et les plus lointains de notre univers.
Noyé(e) sous les articles dans votre domaine ?
Recevez des digests quotidiens des articles les plus récents correspondant à vos mots-clés de recherche — avec des résumés techniques, dans votre langue.