Glaces à gogo

À l’orée de l’hiver, il n’est pas interdit d’aborder le thème de la glace (sait-on jamais…) d’autant que ce solide a fait l’objet de publications récentes.

Rappelons que l’eau est présente sous 3 formes (3 phases) dans notre environnement habituel sur Terre: liquide mais aussi gazeuse (vapeur d’eau) et solide (glace). Tout un chacun en connaît quelques propriétés macros. L’eau est très peu compressible et s’adapte au récipient dans lequel elle est versée; le solide est incompressible; le gaz est compressible, se répand partout et est invisible (si, si: la «fumée» au-dessus d’une casserole d’eau bouillante est constituée de gouttelettes d’eau formées au contact de l’air plus froid; c’est donc de l’eau sous sa forme liquide et non gazeuse). Mais on sait que ces états ne sont que la traduction de ce qui se passe au niveau moléculaire ou atomique. Les liaisons entre les molécules d’eau sont très fortes dans un solide, faible dans un liquide et quasi-nulle dans un gaz. Plus précisément, la molécule d’eau (H₂O) est composée de 2 atomes d’hydrogène qui ont un seul électron et l’oxygène six sur sa couche externe. Lorsque la molécule se forme, il reste donc 2 paires d’électrons qui sont libres, solitaires. Chaque molécule d’eau peut donc se connecter à 4 autres molécules d’eau, ce qu’on appelle les liaisons hydrogène. Dans la glace, chaque molécule est toujours reliée à 4 autres selon des angles fixes et à distance précise (réseau cristallin). Dans l’eau, le nombre de liaisons d’une molécule à ses voisines est bien souvent inférieur à 4; en outre, les molécules cassent leur liaison et vont voir ailleurs, se déplacent. Dans le gaz enfin, il n’y a plus de liaison de ce type. La température joue un rôle primordial dans ces configurations puisque, rappelons-le, elle est la mesure de l’agitation moléculaire.

Mais il y a un autre facteur qu’il faut introduire car essentiel pour les expériences sur les glaces fabriquées en laboratoire: la pression. Tout ce qui a été décrit précédemment vaut pour une pression «normale» de 1 atmosphère (soit environ 1013 hectoPascals), pression standard de l’air au niveau de la mer. Mais il existe une loi de la physique (dite loi de Clausius-Clapeyron) qui lie directement température et pression lors des changements de phase. Ainsi, plus la pression est basse, plus la température d’ébullition l’est aussi. Ce qu’on constate si on essaie de cuire des œufs durs en haute montagne: l’eau bout à 84 °C au sommet du Mont Blanc et à seulement 71 °C au sommet de l’Everest. Il y faut donc bien plus de temps pour que les œufs deviennent durs ! À l’inverse, si on augmente la pression, la glace va fondre à des températures plus basses que 0 °C. C’est d’ailleurs pour cela que se forment des lacs souterrains en Antarctique par exemple ou que les glaciers avancent (malgré des températures négatives, la glace fond entre la roche et le glacier à cause du poids de la glace).

Les physiciens adorent de ce fait jouer avec ces variables pour voir comment se comporte l’eau. Et notamment comment différents niveaux de pression modifient l’agencement des molécules d’eau. Par convention, la glace que nous côtoyons tous les jours est appelée Ih, le h faisant référence à la structure hexagonale qu’elle adopte dans les conditions standard de pression et température.

Les physiciens ont ainsi obtenu une vingtaine de glaces différentes, de phases cristallines différentes. En février dernier, des chercheurs avaient rendu compte (1) de la forme que prenait l’eau dans des conditions extrêmes de pression (supérieure à 5 gigapascals, près de 50 000 fois la pression atmosphérique au niveau de la mer !) et de température (entre 200 et 350 °C). Ils s’intéressaient particulièrement à la variété VII, déjà découverte en 1937. Glace assez particulière puisque de configuration cubique et une des formes les plus denses de la glace d’eau. Dans cette glace, la molécule d’eau vibre au sein d’une maille cubique de la structure cristalline. Si on augmente encore la pression et la température, les molécules se libèrent de la structure et on obtient un liquide. Mais la théorie avait prédit qu’entre les deux, il existerait une phase plastique ! C’est ce que les chercheurs annoncent avoir découvert. Dans cette phase, la molécule reste toujours dans sa maille cubique rigide mais se met à tourner sur elle-même à raison d’un tour toutes les 10-12 secondes. De quoi flanquer le tournis. Cela la rend plus malléable que le cristal et lui confère des propriétés entre celles d’un liquide et celles d’un solide.

Plus récemment (2), d’autres chercheurs ont «coincé» de l’eau entre 2 enclumes en diamant (le matériau qui supporte les plus fortes pressions) jusqu’à une pression de 2 gigapascals (atteints en 10 millisecondes !) mais cette fois à température ambiante, puis l’ont éclairée par un faisceau laser à rayons X pour capter des images toutes les microseconde lorsqu’ils ont relâché la pression. Ils ont ainsi constaté que l’échantillon passait par une nouvelle phase, inconnue jusqu’ici. Ce faisant, ils ont synthétisé une nouvelle glace, la XXI.

Quel intérêt ? En complétant de la sorte le diagramme de phase de l’eau (c’est-à-dire le rapport liquide, solide, gaz selon la température et la pression) on apprend beaucoup sur la manière de synthétiser de nouveaux matériaux qui risquent d’être indispensables dans de futures technologies. Mais on soupçonne aussi que la glace XXI est d’une densité proche de celle présente à l’intérieur des lunes glacées de Jupiter et Saturne. De quoi mieux comprendre comment le système solaire s’est formé et comment l’eau – la vie – y est apparue.