Étrangement, la partie solide de la planète est probablement constituée de glace, la forme cristalline de l'eau, ou H2O, comme nous en avons sur Terre. Mais quiconque boit une boisson glacée lors d'une chaude après-midi d'été sait à quelle vitesse la glace peut fondre. Comment cette glace devient-elle si chaude, tout en demeurant la glace solide des igloos et des cocktails?
La vérité réside dans le monde étrange et presque incroyable de la chimie et de la physique: il existe plus d'un type de glace, fabriqué à partir du même type d'eau que vous buvez chaque jour. En fait, les scientifiques ont découvert jusqu'à présent 17 phases de glace, faisant de la glace un matériau bien plus complexe que personne ne le pensait auparavant..
Les scientifiques ont recréé les conditions nécessaires à la fabrication de ces types de glace inhabituels dans leurs laboratoires, notamment les glaces X et XVI - les glaces à haute pression qui, selon les scientifiques, existent dans le climat brûlant de Gliese 436 b.
Une image d'artiste de Gilese 436b avec un nuage d'hydrogène ressemblant à une comète. L'étoile mère, qui est un nain rouge pâle nommé Gliese 436, est également représentée. L'hydrogène s'évapore de la planète en raison du rayonnement extrême de l'étoile. (Photo: ESA / Hubble / Domaine public)
Il s’avère que l’eau, aliment de base de nos processus biologiques et de la force qui sous-tend la vie elle-même, n’est pas votre fluide habituel, elle présente des dizaines d’anomalies. «Il est inhabituel d’avoir autant de phases», déclare le professeur émérite Martin Chaplin, de la London South Bank University. Chaplin étudie les systèmes aqueux et est l'auteur du site Web le plus complet sur la glace et l'eau à ce jour..
Les anomalies étranges de l'eau commencent par sa structure de base: lorsque des molécules d'eau se connectent, elles le font avec une molécule d'hydrogène. Cette liaison est si forte que l'eau a besoin de températures plus élevées pour bouillir et fondre que celle attendue des liquides, et beaucoup plus élevée que l'oxygène ou l'hydrogène seul. Étant donné que ces liaisons peuvent s'étirer, la distance entre l'hydrogène et l'oxygène diminue lorsque la température augmente et la distance augmente lorsque la pression augmente.
Un flocon de neige vu à travers un microscope, composé de Ice Ih. (Photo: Michael / WikiCommons CC BY-SA 2.0)
«C’est une conséquence de la liaison hydrogène et de la densité relativement faible à basses pressions, ce qui permet de créer de nombreuses structures plus denses», explique Chaplin. La structure cristalline de la glace Ih, la glace normale de forme «hexagonale» avec laquelle nous entrons en contact dans les congélateurs et sur les flocons de neige, est également déterminée par ce lien et forme dans notre atmosphère un réseau uniforme et ouvert de cristaux hexagonaux..
Ainsi, lorsque la planète Gliese 436 b est soumise à une pression extrêmement élevée, la glace s'accroche, ses molécules s'étirent et se compactent pour prendre de nouvelles formes, et sa structure cristalline en ressort totalement changée. Les scientifiques croient que si la glace X, par exemple, existe sur cette planète brûlante, elle reste solide en se comprimant pour toujours dans un réseau net et en forme de grillage. Semblable à la façon dont l'eau bouillit à une température inférieure dans les montagnes par rapport au niveau de la mer, à une température élevée sous une pression extrême, la glace X aura besoin d'une température beaucoup plus élevée pour fondre que dans l'atmosphère plus claire de la Terre..
Structure intérieure de Gliese 436b. (Photo: Dr Jason Wright / WikiCommons)
Et ce n’est qu’une étrange phase de glace, toutes uniques. Selon le site Web de Chaplin, le motif désordonné de la glace VII est probablement présent sur «les planètes géantes et les lunes glacées», les molécules de glace VI sont alignées dans des grilles triangulaires ordonnées et la glace V a une structure moléculaire qui ressemble à une sculpture en jouet K'NEX faux. Ice III a une structure cristalline ondulante et ludique avec des molécules qui semblent presque danser, tandis que Ice XVI ressemble à un nid d'abeilles et peut contenir et stocker différents gaz. La glace cubique, appelée glace Ic, se forme probablement dans les nuages les plus froids et les plus froids de l'atmosphère terrestre. Son modèle 3D ressemble à un diamant taillé à la pointe.
Comme vous pouvez l'imaginer, recréer ces effets en laboratoire est très compliqué. Avant que quelque chose ne commence, les scientifiques de la glace ont besoin de conditions que, selon Chaplin, il est difficile de créer. «Il est difficile de produire de l'eau vraiment pure», explique Chaplin, et il est difficile de regarder les molécules elles-mêmes. "À basses températures, les changements de structure peuvent être très lents."
Pour étudier ces phases, les scientifiques écrasent moins d'un gramme de glace en une poudre fine et le refroidissent à l'aide d'azote liquide. Après l'avoir chargé dans une presse spécialisée en matériaux non réactifs, tels que l'acier au tungstène ou les diamants, ils chauffent lentement la glace, degré par degré, le volume de la glace se déplacera, détecté par des capteurs. Dans cet espace confiné, la position des molécules d'eau change en fonction de la température et de la pression exercées sur la glace. Les scientifiques examinent les molécules à l'aide de rayons X ou d'un processus appelé cristallographie neutronique, qui utilise un petit faisceau de neutrons pour former un motif détectable lors de leur dispersion autour des molécules de glace, donnant une image tridimensionnelle de la molécule..
Structure de glace XVI. (Photo: Andrzej Falenty / WikiCommons CC BY 4.0)
Recréer ces glaces en laboratoire est une bonne chose, mais il est également utile d’élargir notre connaissance de l’univers naturel. «Il existe probablement des glaces dans des planètes et des lunes soumises à de fortes pressions, et il est important de connaître leurs propriétés… pour comprendre le comportement de ces planètes et lunes», explique Chaplin. "Certaines glaces peuvent se former lors du traitement à haute pression de matériaux et de produits alimentaires sur Terre."
Les glaces à haute pression peuvent également aider les scientifiques à examiner les cellules biologiques; le gel sous haute pression pourrait empêcher la glace d'augmenter son volume et de gêner les matériaux tout en gelant, en maintenant intactes les cellules organiques délicates. Certains ont suggéré que les glaces XVI pourraient être utilisées pour éliminer le méthane, qui produit de la chaleur, sous le fond des profondeurs de la mer, et le remplacer par du CO2 moins nocif..
Après avoir étudié de manière approfondie les structures de la glace, Chaplin a en fait prédit une nouvelle phase de la glace sept ans avant sa découverte en 2007, appelée superposition de glace en désordre. «Une nuit, alors que je somnolais, au milieu de la nuit, j’ai réalisé que cette structure de glace mixte cubique et hexagonale pouvait être repliée en une structure sphérique (en réalité icosahédrique) qui pourrait expliquer nombre des propriétés inexpliquées jusque-là du liquide. de l'eau », explique Chaplin, qui n'a pas pu dormir pendant trois jours tout en prévoyant la nouvelle phase de glace. Cette glace forme des formes lisses et tétraédriques et se retrouve dans les nuages de cirrus et les traînées d’avion..
Un diagramme de la structure de la glace XVI. (Photo: Gracieuseté de Martin Chaplain)
Une phase de glace plus sinistre a été prédite de manière sensationnelle dans la fiction des années 1960. Kurt Vonnegut a écrit dans son livre Le berceau du chat à propos de la glace neuf, une substance désastreuse capable de transformer en permanence la totalité de l’eau de la Terre en glace. «J'aime la glace neuf de Vonnegut», déclare Chaplin, bien que sur son site web, il assure que cette version fictive «n'a heureusement aucune base scientifique». (Le véritable IX de glace n'est qu'une version plus dense de la glace III et ne peut pas exister réellement. à côté de l'eau liquide, ou provoquer une apocalypse glacée).
Les scientifiques découvrent encore de nouveaux types de glace avec une certaine régularité, et beaucoup d’autres plus probables. En février 2016, le professeur de chimie Xiao Cheng Zeng a suggéré l'existence d'une nouvelle glace VIII à faible densité (bien qu'elle n'ait pas encore été fabriquée), qui pourrait être la glace à la densité la plus basse qui soit. Bien que Chaplin dise que nous n’avons pas encore la capacité de trouver des glaces de très haute pression, les scientifiques continuent de les rechercher..
La prochaine fois que vous préparerez votre boisson glacée préférée et que vous serez consterné de la fondre quelques minutes plus tard, souvenez-vous que quelque part dans l'univers, cette même glace trouverait le moyen de rester au frais sous la pression..
Mise à jour 3/1: À l'origine, nous appelions IV-IX ou IX. Nous regrettons l'erreur.