Même bien en dessous de zéro, la surface de la glace commence à fondre à mesure que les températures augmentent

La physique est remplie de mystères. Pour en trouver quelques-unes qui valent la peine d’être explorées, ne cherchez pas plus loin qu’un glaçon. A température ambiante, bien sûr, le cube fondra sous vos yeux. Mais même bien en dessous de zéro, la glace peut se déplacer de manière à peine perceptible que les scientifiques tentent encore de comprendre. À l’aide d’outils d’imagerie du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE), les chercheurs ont détecté un phénomène connu sous le nom de préfusion à des températures bien inférieures à celles observées précédemment.

Leurs découvertes sont publiés dans la revue Actes de l’Académie nationale des sciences.

La préfusion est la raison pour laquelle une plaque de glace peut être glissante même par temps clair et glacial. Bien que l’endroit soit gelé, une partie de la surface est humide, une idée avancée par Michael Faraday au milieu des années 1800. L’idée d’une couche liquide préfondue sur la glace soulève d’autres questions de longue date sur la façon dont l’eau se transforme de liquide en solide puis en vapeur – et comment, dans certaines conditions, elle peut être les trois à la fois.

Dans une étude récente, les scientifiques ont examiné les cristaux de glace formés en dessous de moins 200 degrés Fahrenheit. L’équipe a utilisé le Centre pour les matériaux à l’échelle nanométrique (CNM) d’Argonne, une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE, pour développer et observer les nanocristaux de glace, qui mesuraient seulement 10 millionièmes de mètre de diamètre.

Outre ce que l’étude révèle sur la nature de l’eau à des températures inférieures à zéro, elle démontre une méthode pour examiner des échantillons sensibles en détail moléculaire : la microscopie électronique à transmission (TEM) à faible dose et haute résolution. TEM dirige un flux d’électrons, qui sont des particules subatomiques, vers un objet. Un détecteur crée une image en captant la façon dont les électrons se dispersent sur l’objet.

« Certains matériaux sont sensibles aux faisceaux. Lorsque vous utilisez un faisceau d’électrons pour les imager, ils peuvent être modifiés ou détruits », a déclaré Jianguo Wen, scientifique en matériaux d’Argonne et auteur principal de l’article. Les électrolytes, qui échangent des particules chargées dans les batteries, sont un exemple de matériau sensible aux faisceaux d’électrons. » Être capable de les étudier en détail sans perturber leur structure pourrait aider au développement de meilleures batteries.

Mais pour commencer, les chercheurs expérimentent la technique TEM à faible dose sur de l’eau gelée. Après tout, l’eau est bon marché et abondante. De plus, Wen a déclaré : « La glace est très difficile à imager, car elle est très instable sous le faisceau d’électrons à haute énergie. Si nous réussissons à démontrer cette technique sur la glace, l’imagerie d’autres matériaux sensibles au faisceau sera un jeu d’enfant. « 

La technique à faible dose combine le TEM corrigé des aberrations du CNM avec une caméra spécialisée de détection directe d’électrons. Le système est extrêmement efficace pour capturer les informations de chaque électron qui frappe un échantillon. Il est donc possible d’obtenir une image haute résolution en utilisant moins d’électrons, infligeant ainsi moins de dommages à la cible qu’une approche TEM conventionnelle.

Le faible niveau d’exposition aux électrons permet de capturer quelque chose d’aussi délicat qu’un cristal de glace in situ ou dans son environnement. L’équipe de recherche a utilisé de l’azote liquide pour faire croître les cristaux de glace sur des nanotubes de carbone à 130 degrés Kelvin, ou moins 226 degrés Fahrenheit.

Des études antérieures avaient observé une préfusion proche du point triple de l’eau. Au point triple, la température est juste au-dessus du point de congélation et la pression est suffisamment basse pour que la glace, le liquide et la vapeur d’eau puissent exister en même temps. À des températures et des pressions inférieures au point triple, la glace se sublime directement en vapeur d’eau.

Les « règles » du comportement de l’eau sont souvent clairement résumées dans un simple diagramme de phases qui cartographie les différents états de l’eau selon différentes combinaisons de température et de pression.

« Mais le monde réel est bien plus complexe que ce simple diagramme de phases », a déclaré Tao Zhou, scientifique en matériaux d’Argonne et autre auteur correspondant de l’article. « Nous avons montré que la préfusion peut se produire très loin sur la courbe, même si nous ne pouvons pas expliquer pourquoi. »

Dans une vidéo capturée au cours de l’expérience, on peut voir deux nanocristaux distincts se dissoudre l’un dans l’autre lorsque la glace est réchauffée sous une pression constante jusqu’à 150 degrés Kelvin, ou moins 190 degrés Fahrenheit. Bien qu’encore bien en dessous du point de congélation, la glace formait une couche quasi-liquide. Cette eau ultravisqueuse n’est pas prise en compte parmi les lignes simples du diagramme de phases, où l’eau passe directement de la glace à la vapeur.

L’étude soulève des questions intrigantes qui pourraient être explorées dans de futurs travaux. Quelle est la nature exacte de la couche liquide observée par les chercheurs ? Que se passerait-il si la pression et la température augmentaient ? Et cette technique ouvre-t-elle la voie à un aperçu du « no man’s land », l’état dans lequel l’eau surfondue cristallise soudainement du liquide à la glace ? L’enquête scientifique séculaire sur les nombreux états de l’eau se poursuit.

Les co-auteurs avec Wen et Zhou sont Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt et Ilke Arslan d’Argonne ; Yulin Lin et Aiwen Lei de l’Université de Wuhan ; et Nathan Rosenmann de l’Université de l’Illinois à Chicago.