Résumé :
Glace signifie généralement basse température, mais les scientifiques ont maintenant confirmé que dans des environnements à pression extrêmement élevée, l'eau peut former un type particulier de « glace » qui existe encore à des températures supérieures à 2 000 °C. Une équipe de recherche française a récemment réussi à créer en laboratoire un nouveau type de glace dont l'existence était théoriquement prédite : la glace superionique hexagonale compacte. Ce matériau n'est ni complètement solide comme la glace ordinaire, ni ne peut s'écouler librement comme un liquide, et sa structure unique peut aider à expliquer les champs magnétiques inhabituellement complexes à l'intérieur des planètes géantes de glace telles qu'Uranus et Neptune.
L'eau est l'une des substances les plus courantes sur terre et est indispensable à la vie. Cependant, d’un point de vue physique et chimique, l’eau possède en réalité de nombreuses propriétés très anormales. Par exemple, le volume de l’eau liquide ordinaire augmentera lorsqu’elle gèle. La densité de la glace est inférieure à celle de l'eau liquide ; l'eau a également une tension superficielle et un point d'ébullition inhabituellement élevés. Si elle est calculée uniquement sur la base du poids moléculaire des molécules d’eau, l’eau devrait même plus probablement exister sous forme de gaz à température ambiante.
Lorsque l'environnement se déplace de la surface de la Terre vers l'intérieur de la planète, tout en imposant simultanément des températures et des pressions extrêmes, l'eau se comporte de manière encore plus particulière. Les chercheurs ont cette fois simulé les conditions extrêmes à l’intérieur d’Uranus et de Neptune en laboratoire et ont directement capturé pour la première fois la structure cristalline de la glace superionique hexagonale compacte.
La "glace superionique" est un état particulier de la matière entre les solides et les liquides traditionnels. Lorsque l’eau est soumise à d’énormes pressions de plusieurs millions d’atmosphères, le matériau est capable de conserver une structure en treillis semblable à un solide, même à des températures très élevées. Dans cet état, les molécules d’eau complètes au sens traditionnel du terme n’existent plus. Les atomes d'oxygène sont fixés dans la position du réseau cristallin, tandis que les noyaux d'hydrogène peuvent se déplacer rapidement entre le réseau cristallin composé d'atomes d'oxygène comme les particules du liquide.
Par conséquent, d'un point de vue macroscopique, cette substance présente certaines caractéristiques à la fois solides et liquides : les atomes d'oxygène forment un réseau solide stable, tandis que les atomes d'hydrogène sont très mobiles. Cette structure unique rend également la glace superionique hautement conductrice.
Pour créer cette substance extrême, les chercheurs ont placé un très petit échantillon d'eau entre deux pointes de diamant, puis ont progressivement appliqué une pression allant jusqu'à 2,3 millions d'atmosphères. À titre de comparaison, la pression au cœur de la Terre est d'environ 3,6 millions d'atmosphères. Les chercheurs ont ensuite utilisé des lasers haute puissance pour chauffer l’eau comprimée à une température de 2 630 Kelvin, soit environ 2 357°C.
Dans des conditions aussi extrêmes, les chercheurs ont utilisé des rayons X de rayonnement synchrotron à haute énergie pour effectuer des analyses détaillées des échantillons et observer les changements structurels de l'eau dans des environnements à haute température et haute pression à l'échelle atomique. L’expérience a finalement capturé des cristaux de glace superioniques dans lesquels les atomes d’oxygène sont disposés dans une structure hexagonale compacte, c’est-à-dire une structure hcp.
L'expérience a également révélé le processus par lequel cette structure se forme. À mesure que la pression et la température continuent d’augmenter, la structure cubique à faces centrées, ou fcc, initialement formée ne restera pas stable pour toujours. Un glissement se produira progressivement entre différentes couches à l’intérieur du cristal, et finalement la structure originale sera complètement transformée en une structure hexagonale plus stable, formant ainsi de la glace superionique hcp qui a déjà fait l’objet de prédictions théoriques.
L'importance de cette découverte ne réside pas seulement dans la création de « glace à plus de 2 000 degrés Celsius ». Les scientifiques pensent depuis longtemps qu'il pourrait y avoir d'énormes couches de glace superionique à l'intérieur des planètes géantes de glace telles qu'Uranus et Neptune, et que la conductivité particulière de ce matériau pourrait être étroitement liée aux champs magnétiques extrêmement inhabituels des deux planètes.
Les champs magnétiques d'Uranus et de Neptune sont très différents de ceux de la Terre. Le champ magnétique terrestre forme à peu près une structure relativement régulière autour de l'axe de rotation de la planète, mais les champs magnétiques d'Uranus et de Neptune sont considérablement déviés du centre et de l'axe de rotation de la planète, et leurs structures sont complexes et asymétriques. Les scientifiques ont précédemment suggéré que la zone générant ce champ magnétique anormal pourrait ne pas être située au cœur de la planète, mais dans une couche conductrice composée de matériau à haute tension à l'intérieur.
La glace superionique possède une propriété très importante : elle peut conduire l'électricité. Étant donné que les noyaux d’hydrogène peuvent se déplacer librement entre le réseau fixe d’atomes d’oxygène, ce matériau est capable de développer des propriétés électriques et hydrodynamiques complètement différentes de celles de la glace ordinaire. Si une telle couche de matériau existe à l’intérieur d’Uranus et de Neptune, elle pourrait être l’un des facteurs importants à l’origine des étranges champs magnétiques des deux planètes.
Les scientifiques ont déjà obtenu des preuves de l'existence de glace superionique grâce à des calculs théoriques et d'autres expériences à haute pression, mais cette expérience a en outre confirmé que ce matériau peut former une structure hexagonale compacte dans des conditions extrêmes. Les chercheurs pensent que ce résultat signifie que certains modèles de la structure interne, des mécanismes de conduction et du flux de matière des planètes géantes de glace pourraient devoir être révisés.
Plus important encore, les conditions de température et de pression à l'intérieur d'Uranus et de Neptune ne peuvent pas se produire naturellement à la surface de la Terre, c'est pourquoi les expériences laser à haute tension en laboratoire sont devenues un moyen important d'étudier ces mondes lointains. En recréant l’intérieur des planètes sur Terre, les scientifiques peuvent étudier directement les états de la matière inaccessibles aux vaisseaux spatiaux.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans Physical Review Letters. Pour les planétologues, la confirmation de la glace superionique hexagonale et compacte révèle non seulement les formes complexes que l'eau peut prendre dans des conditions extrêmes, mais fournit également une nouvelle base physique pour comprendre les deux planètes géantes les plus éloignées du système solaire.
En d'autres termes, la soi-disant « glace dépassant 2 000 °C » ne signifie pas que les glaçons ne fondront pas à des températures élevées au sens ordinaire du terme, mais qu'un état complètement nouvel de la matière se formera sous une pression énorme. Dans un tel environnement, l’eau s’est complètement éloignée des comportements solides, liquides et gazeux que nous connaissons tous les jours et a adopté une structure étrange dans laquelle les atomes d’oxygène sont fixes et les atomes d’hydrogène se déplacent librement. De tels états extrêmes de la matière sont probablement cachés au plus profond d’Uranus et de Neptune, à des milliards de kilomètres.
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