La glace est bien plus complexe que la plupart d’entre nous ne le pensent. La science connaît plus de 20 variétés différentes de glace qui se forment sous diverses combinaisons de pression et de température. Le type de glace que nous utilisons pour refroidir nos boissons est connu sous le nom de glace I, et c’est l’une des rares formes de glace qui existent naturellement sur Terre.
Des chercheurs japonais ont récemment découvert un autre type de glace : la glace 0, une forme inhabituelle de glace qui peut provoquer la formation de cristaux de glace dans de l’eau surfondue.
La formation de glace près de la surface de l’eau liquide peut commencer à partir de minuscules précurseurs cristallins avec une structure similaire à un type rare de glace, connu sous le nom de glace 0.
Dans une étude publiée dans Communication sur la nature, Des chercheurs du département de recherche sur la coopération sociale « Science de la protection contre le gel » de l’Institut des sciences industrielles de l’Université de Tokyo ont montré que ces structures semblables à de la glace 0 peuvent provoquer le gel d’une goutte d’eau près de sa surface plutôt qu’à son cœur. Cette découverte résout une énigme de longue date et pourrait contribuer à redéfinir notre compréhension de la formation de la glace.
La cristallisation de la glace, appelée nucléation de la glace, se produit généralement de manière hétérogène, c’est-à-dire sur une surface solide. On s’attend normalement à ce que cela se produise à la surface du contenant contenant de l’eau, là où le liquide rencontre le solide.
Cette nouvelle étude montre cependant que la cristallisation de la glace peut également se produire juste sous la surface de l’eau, là où elle rencontre l’air. La glace se cristallise alors autour de petits précurseurs ayant la même structure annulaire caractéristique que la glace 0.
« Des simulations ont montré qu’une goutte d’eau a plus de chances de se cristalliser près de la surface libre dans des conditions isothermes », explique Gang Sun, auteur principal de l’étude. « Cela résout un débat de longue date sur la question de savoir si la cristallisation se produit plus facilement à la surface ou à l’intérieur. »
Les précurseurs de la glace 0 ont une structure très similaire à celle de l’eau surfondue, ce qui permet aux molécules d’eau de cristalliser plus facilement, sans avoir besoin de se former directement dans la structure de la glace ordinaire.
Les minuscules précurseurs de la glace 0 se forment spontanément, en raison des effets de pression négative causés par la tension superficielle de l’eau. Une fois que la cristallisation commence à partir de ces précurseurs, des structures similaires à la glace 0 se réorganisent rapidement pour former la glace I plus familière.
L’auteur principal, Hajime Tanaka, souligne les vastes implications de cette étude, notant que « les découvertes concernant le mécanisme de cristallisation de surface de l’eau devraient contribuer de manière significative à divers domaines, notamment les études sur le climat et les sciences alimentaires, où la cristallisation de l’eau joue un rôle essentiel. »
Une compréhension plus détaillée de la glace et de la façon dont elle se forme peut donner des informations précieuses sur divers domaines d’étude.
Ces travaux pourraient revêtir une importance particulière en météorologie, par exemple, où la formation de glace par des précurseurs de type glace 0 pourrait avoir un effet beaucoup plus notable sur les petites gouttelettes d’eau comme celles que l’on trouve dans les nuages. La compréhension de la glace pourrait également avoir des avantages technologiques, des sciences alimentaires à la climatisation.
Plus d’information:
Cristallisation de l’eau induite par la surface, entraînée par des précurseurs formés dans des régions de pression négative, Nature Communications (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-50188-1