L’état solide de l’eau s’avère bien moins simple qu’il n’y paraît
La glace peut sembler familière dans un bac de congélateur ou sur un lac en hiver, mais les physiciens la considèrent de plus en plus comme l’un des matériaux les plus surprenants de la nature. Selon un nouveau reportage de Quanta Magazine, des scientifiques ont identifié trois nouveaux types de glace au cours de la seule année écoulée, dont deux des phases de glace les plus complexes observées à ce jour. Ces découvertes s’ajoutent à un catalogue en pleine expansion qui comprend déjà plus de 20 phases connues de glace cristalline.
L’enjeu n’est pas seulement qu’il existe de nombreux types de glace. C’est que l’eau semble capable de s’organiser en une gamme extraordinaire de structures solides selon les conditions. Les chercheurs disent maintenant que des simulations informatiques ont prédit des dizaines de milliers de formes possibles de glace. Cela ne signifie pas qu’elles seront toutes découvertes en laboratoire ou dans la nature, mais cela suggère que les scientifiques travaillaient avec un espace des phases bien plus riche que ne le laissaient penser les hypothèses anciennes.
Pourquoi la glace continue de surprendre les physiciens
La raison tient à la géométrie même de l’eau. Quanta décrit chaque molécule d’eau comme un atome d’oxygène lié à deux atomes d’hydrogène, avec deux paires d’électrons libres qui étendent la forme effective de la molécule en quelque chose à quatre bras séparés par des forces électromagnétiques. Cette structure donne à l’eau une flexibilité inhabituelle pour s’organiser en arrangements cristallins répétés.
Dans la glace ordinaire, ces molécules forment une structure hexagonale aérée. Cet arrangement ouvert rend la glace courante moins dense que l’eau liquide, ce qui explique pourquoi la glace flotte et pourquoi les lacs gèlent de la surface vers le fond. Mais sous pression, l’eau peut se comprimer en motifs très différents. Changez la température, changez la pression, ou changez la vitesse à laquelle ces conditions sont appliquées, et les molécules peuvent se fixer dans de nouveaux états cristallins.
Marius Millot, du Lawrence Livermore National Laboratory, a déclaré à Quanta que même des changements subtils dans la manière de comprimer l’eau peuvent révéler un comportement totalement inattendu. Ce commentaire aide à expliquer pourquoi le domaine s’est accéléré. À mesure que les chercheurs améliorent les techniques expérimentales et abandonnent de vieilles hypothèses, ils découvrent des structures auparavant cachées par la difficulté à les produire ou à les détecter.
