Les dernières recherches informatiques de la Carnegie Institution for Science montrent que dans les profondeurs des géantes de glace telles qu'Uranus et Neptune, les éléments communs carbone et hydrogène peuvent exister sous une forme sans précédent. Ce nouvel état de la matière devrait remodeler la compréhension de la communauté scientifique sur la structure interne des planètes et le mécanisme de formation des champs magnétiques.

La recherche a été dirigée par Cong Liu et Ronald Cohen de la Carnegie Institution for Science, et les résultats pertinents ont été publiés dans la revue Nature Communications. À l’aide du calcul haute performance et à partir des premiers principes de la mécanique quantique, ils ont systématiquement simulé le comportement d’hydrocarbures simples (la formule chimique est CH, c’est-à-dire les hydrocarbures) dans des conditions extrêmes de haute pression et de haute température.

Uranus et Neptune sont classées comme « géantes de glace ». Les observations et modèles existants montrent que les structures internes de ces deux planètes peuvent être grossièrement divisées en trois couches : la couche la plus externe est une atmosphère d'hydrogène-hélium, prise en sandwich par une épaisse couche de « glace chaude », et la couche la plus interne est un noyau dense composé de roches et de métaux. La communauté scientifique estime généralement que ces « glaces chaudes » sont principalement composées d'eau (H₂O), de méthane (CH₄) et d'ammoniac (NH₄) ; mais sous une pression et une température extrêmes, ces substances présenteront des structures et des propriétés complètement différentes de celles à température et pression normales.

Les simulations de Cong Liu et Cohen couvraient une plage de pression d'environ 500 à 3 000 gigapascals (équivalent à 5 à 30 millions de fois la pression atmosphérique de la Terre) et une plage de température d'environ 4 000 à 6 000 kelvins (environ 6 740 à 10 340 degrés Celsius), des conditions comparables à celles des planètes géantes de glace. Les résultats montrent que dans de telles conditions intérieures planétaires, les hydrocarbures peuvent former un composé avec une structure de réseau hexagonal : le carbone forme des chaînes en spirale à l'extérieur, et l'hydrogène forme des chaînes en spirale à l'intérieur et migre directionnellement le long de ces chemins en spirale.

Dans cette structure, le matériau présente un « état superionique quasi-unidimensionnel ». Les substances superioniques constituent un état particulier entre les solides et les liquides : certains atomes du réseau cristallin restent ordonnés à l'état solide, tandis que d'autres atomes peuvent se déplacer librement dans le réseau cristallin comme un liquide. La recherche montre que dans cette nouvelle phase, le squelette carboné conserve une structure cristalline hexagonale ordonnée, tandis que les atomes d’hydrogène se déplacent principalement de manière directionnelle le long de canaux en spirale prédéfinis plutôt que de diffuser de manière isotrope dans un espace tridimensionnel.

Cohen a souligné que la raison pour laquelle cette phase carbone-hydrogène nouvellement prédite est « particulièrement frappante » est que son mouvement atomique n'est pas complètement tridimensionnel, mais qu'il est fortement orienté vers certaines trajectoires spirales spécifiques. Cette caractéristique de migration hautement directionnelle est très rare dans les matériaux planétaires. Ce comportement superionique « quasi unidimensionnel » signifie que la manière dont la chaleur et la charge sont transportées à l’intérieur de tels matériaux peut être très différente de la compréhension traditionnelle des fluides isotropes à haute température.

Cette découverte a de multiples implications potentielles pour la science planétaire. Tout d’abord, la migration directionnelle de l’hydrogène dans le réseau cristallin affectera directement la conductivité thermique et la conductivité électrique du matériau profond, modifiant ainsi la manière dont l’énergie interne de la planète est transférée de la couche profonde à la couche externe. Deuxièmement, cette propriété conductrice anormale peut être liée à la forme particulière du champ magnétique des planètes géantes de glace, ce qui contribue à expliquer les caractéristiques d'observation plus déformées et excentriques des structures de champ magnétique d'Uranus et de Neptune par rapport à la Terre et aux planètes géantes gazeuses (telles que Jupiter et Saturne).

Ces dernières années, le nombre d’exoplanètes confirmées a dépassé les 6 000 et continue de croître, ce qui entraîne une collaboration croisée plus étroite dans les domaines de l’astronomie, des sciences planétaires et des sciences de la Terre. Grâce à une combinaison d'observations, d'expériences et de simulations théoriques, les chercheurs tentent de caractériser l'état matériel et les processus physiques à l'intérieur de la planète, y compris le mécanisme de génération du champ magnétique et l'évolution des structures en couches profondes. La modélisation des régions « invisibles » au cœur des planètes et des lunes du système solaire aidera non seulement à comprendre le comportement de ces corps célestes eux-mêmes, mais devrait également fournir des indices sur des questions telles que l'habitabilité extraterrestre.

Liu Cong a souligné que le carbone et l'hydrogène sont l'un des deux éléments les plus courants dans les matériaux planétaires, mais que le comportement de cette simple combinaison d'éléments dans des conditions semblables à celles d'une planète géante est loin d'être entièrement compris. Ces travaux montrent que même les systèmes chimiques les plus élémentaires peuvent faire évoluer des structures cristallines et dynamiques complexes et inattendues sous des pressions et des températures extrêmes, repoussant ainsi les limites de la compréhension des chercheurs scientifiques du monde des matériaux à haute pression.

Outre son importance pour la physique planétaire, ce matériau doté de fortes propriétés de transport directionnel pourrait également trouver des applications dans les domaines plus larges de la science et de l’ingénierie des matériaux. Par exemple, dans des scénarios nécessitant une conductivité électrique ou thermique hautement anisotrope, ce type de matériau superionique devrait devenir un modèle théorique pour de nouveaux matériaux fonctionnels, fournissant de nouvelles idées pour la conception future de dispositifs énergétiques et électroniques.