Nous considérons généralement la glace comme de l’eau simplement refroidie, simple, dure et froide. Mais l’eau est en réalité un « maître du déguisement ». Bien qu’elle ne soit composée que de deux atomes, l’hydrogène et l’oxygène, elle peut former plus de 20 types de glace différents, chacun possédant une structure interne unique. Certaines formes de glace sont lisses et familières, comme les glaçons ordinaires dans les réfrigérateurs domestiques ; tandis que dans des environnements à haute pression, comme au plus profond de la Terre ou sur des satellites lointains, d'étranges « phases de glace » peuvent apparaître.

Les scientifiques explorent ces mystérieux types de glace depuis plus d’un siècle, non seulement par curiosité, mais aussi pour comprendre comment l’eau se comporte dans des conditions extrêmes, y compris là où la vie extraterrestre pourrait exister.

Des recherches antérieures ont découvert de nouveaux types de glace tels que Ice XIX, qui possède des atomes d'oxygène disposés de la même manière que Ice XV mais des atomes d'hydrogène disposés différemment. Il existe également une nouvelle phase de glace appelée Ice VIIIt, qui se produit principalement dans les profondeurs du manteau terrestre ou sur des exoplanètes riches en eau, et qui a ensuite été classée sous le nom de Ice X.

Récemment, des scientifiques de l'Institut coréen des normes et des sciences (KRISS) ont découvert un tout nouveau type de glace : officiellement nommé Ice XXI, sa structure est complètement différente de tout type connu auparavant.

Ils ont utilisé un puissant dispositif expérimental construit avec une enclume en diamant et un laser à rayons X pour observer le comportement de l'eau extrêmement comprimée à température ambiante. De manière inattendue, l'eau n'a pas gelé directement dans la glace dans cette plage de pression, mais a connu plusieurs cycles de gel-dégel, et finalement la glace XXI est née dans la plage de pression typique de la glace VI.

Qu’y a-t-il de si spécial à propos d’Ice XXI ? Elle possède une structure atomique unique, très différente de la vingtaine de types de glace actuellement connus. Plus important encore, il présente un « état métastable », c’est-à-dire qu’il peut encore exister brièvement dans un environnement initialement instable, offrant ainsi aux chercheurs la possibilité d’observer le processus de formation de glace sous haute pression. Cette découverte devrait aider les scientifiques à comprendre l’environnement matériel de la planète glacée et des profondeurs de la Terre.

"La compression rapide de l'eau lui permet de rester liquide à des pressions plus élevées, là où elle aurait dû se transformer en glace VI", a expliqué Geun Woo Lee, scientifique du KRISS.

L’équipe de recherche a utilisé des enclumes de diamant pour créer une haute pression, mené des expériences sur des échantillons d’eau extrêmement pure et utilisé des caméras à grande vitesse, des capteurs laser et des équipements de surveillance en temps réel pour observer les processus de congélation et de fonte de la glace à des températures normales. En ajustant la pression, en capturant les transitions structurelles et en utilisant la spectroscopie Raman pour analyser les changements au sein des molécules d’eau, chaque instant de gel de l’eau a été enregistré. La fluorescence des cristaux de rubis microscopiques est utilisée pour mesurer avec précision la pression.

Les scientifiques utilisent également de puissants faisceaux de rayons X de rayonnement synchrotron, combinés à des détecteurs et des programmes d'analyse de haute précision, pour observer le moment exact où l'eau forme une « glace anormale ». Afin de mieux s'adapter au rythme de congélation de la glace, la pression est appliquée selon un rythme triangulaire irrégulier. Deux types de détecteurs ont capturé simultanément des données expérimentales respectivement 560 000 fois par seconde et 10 fois par seconde, leur permettant de décrire la « danse cachée » de l'eau se transformant en glace.

Les simulations de dynamique moléculaire ont utilisé deux modèles, SPCfw et TIP4P/Ice. TIP4P/Ice représente des molécules d'eau rigides, avec des angles et des longueurs de liaison fondamentalement inchangés, et convient très bien à l'étude de la glace à haute pression ; le modèle SPCfw est plus flexible et peut simuler la flexion et l’étirement des liaisons hydrogène entre molécules sous une pression extrêmement élevée. Les tendances de simulation des deux sont fondamentalement cohérentes et cohérentes avec les résultats expérimentaux.

Dans de l'eau extrêmement comprimée à température ambiante, les scientifiques ont découvert que l'eau ne gèle pas en une seule étape, mais subit plusieurs cycles glace-eau, pour finalement se transformer en ce que l'on appelle la glace VI. Dans cette plage de pression (environ 1,6 GPa), ils ont découvert la glace XXI, dont la structure cristalline est tétragonale centrée sur le corps.

Ice XXI est très spécial : bien que son énergie soit supérieure à celle de MS-Ice VII à température ambiante et que sa stabilité soit inférieure, la différence n'est pas grande. Ce qui est plus intéressant, c'est que seul Ice XXI peut être converti en MS-Ice VII, mais l'eau ordinaire ne peut pas compléter directement cette transformation. Cependant, si de l'eau est mélangée avec MS-Ice VII, les deux peuvent être transformés en Ice VI sous haute pression.

Grâce au puissant laser à rayons X du XFEL européen, les scientifiques ont découvert que l'eau se développe d'au moins cinq manières différentes lorsqu'elle gèle, même à température ambiante.

Geun Woo Lee a souligné : "En utilisant les impulsions de rayons X uniques du XFEL européen, nous avons révélé que le H2O peut suivre plusieurs voies de cristallisation lors d'une compression et d'une décompression rapides plus de mille fois."

Rachel Husband, membre de l'équipe de recherche, a ajouté : "Ces résultats indiquent que la phase de glace métastable à haute température et son chemin de transformation pourraient aller bien au-delà des connaissances antérieures et devraient apporter de nouvelles révélations à notre compréhension de la structure matérielle des satellites glacés."

Des recherches pertinentes ont été publiées dans « Nature Materials ».