Comment une forme conductrice de glace se forme à plusieurs milliers de degrés et des millions de fois la pression atmosphérique. —

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  • Toutes les glaces ne sont pas identiques. La forme solide de l’eau se présente sous plus d’une douzaine de structures différentes, parfois plus, parfois moins cristallines, selon les conditions de pression et de température de l’environnement. La glace superionique est une forme cristalline spéciale, à moitié solide, à moitié liquide et électriquement conductrice. Son existence a été prédite sur la base de divers modèles et a déjà été observée à plusieurs reprises dans des conditions de laboratoire très extrêmes. Cependant, les conditions exactes dans lesquelles les glaces superioniques sont stables restent controversées. Une équipe de scientifiques dirigée par Vitali Prakapenka de l’Université de Chicago, qui comprend également Sergey Lobanov du Centre de recherche allemand pour les géosciences GFZ Potsdam, a maintenant mesuré la structure et les propriétés de deux phases de glace superioniques (glace XVIII et glace XX). Ils ont amené de l’eau à des pressions et des températures extrêmement élevées dans une cellule à enclume de diamant chauffée au laser. Dans le même temps, les échantillons ont été examinés en ce qui concerne la structure et la conductivité électrique. Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans la revue Physique de la Nature. Ils fournissent une autre pièce du puzzle dans le spectre des manifestations de l’eau. Et ils peuvent également aider à expliquer les champs magnétiques inhabituels des planètes Uranus et Neptune, qui contiennent beaucoup d’eau.

    Glace chaude?

    La glace est froide. Au moins de la glace de type I de notre congélateur, de la neige ou d’un lac gelé. Dans les planètes ou dans les appareils à haute pression de laboratoire, il existe différentes espèces de glace, de type VII ou VIII par exemple, qui existent à plusieurs centaines ou milliers de degrés Celsius. Cependant, cela n’est dû qu’à des pressions très élevées de plusieurs dizaines de Gigapascals.

    La pression et la température couvrent l’espace du diagramme de phase d’une substance : en fonction de ces deux paramètres, les diverses manifestations de l’eau et les transitions entre les états solide, gazeux, liquide et hybride sont enregistrées ici – comme elles sont prédites théoriquement ou ont déjà été prouvés expérimentalement.

    Relier la physique fondamentale aux questions géologiques

    Plus la pression et la température sont élevées, plus ces expériences sont difficiles. Et donc le diagramme de phase de l’eau – avec de la glace comme phase solide – a encore quelques inexactitudes et incohérences dans les plages extrêmes.

    « L’eau est en fait un composé chimique relativement simple constitué d’un atome d’oxygène et de deux atomes d’hydrogène. Néanmoins, avec son comportement souvent inhabituel, il n’est pas encore entièrement compris. Dans le cas de l’eau, les intérêts physiques et géoscientifiques fondamentaux se rejoignent car l’eau joue un rôle important à l’intérieur de nombreuses planètes. Non seulement en termes de formation de la vie et des paysages, mais – dans le cas des planètes gazeuses Uranus et Neptune – également pour la formation de leurs champs magnétiques planétaires inhabituels », explique Sergey Lobanov, géophysicien au GFZ Potsdam.

    Des conditions uniques en laboratoire

    Sergey Lobanov fait partie de l’équipe dirigée par le premier auteur Vitali Prakapenka et Nicholas Holtgrewe, tous deux de l’Université de Chicago, et Alexander Goncharov de la Carnegie Institution de Washington. Ils ont maintenant caractérisé davantage le diagramme de phase de l’eau à ses extrêmes. À l’aide de cellules à enclume de diamant chauffées au laser – de la taille d’une souris d’ordinateur – ils ont généré des pressions élevées allant jusqu’à 150 Gigapascals (environ 1,5 million de fois la pression atmosphérique) et des températures allant jusqu’à 6 500 Kelvin (environ 6 227 degrés Celsius). Dans la chambre d’échantillonnage, qui ne mesure que quelques millimètres cubes, prévalent alors des conditions qui se produisent à plusieurs milliers de kilomètres de profondeur à l’intérieur d’Uranus ou de Neptune.

    Les scientifiques ont utilisé la diffraction des rayons X pour observer comment la structure cristalline change dans ces conditions. Ils ont réalisé ces expériences en utilisant les rayons X extrêmement brillants du synchrotron à la source avancée de photons (APS) du laboratoire national d’Argonne de l’Université de Chicago. Une deuxième série d’expériences au Earth and Planets Laboratory de la Carnegie Institution de Washington a utilisé la spectroscopie optique pour déterminer la conductivité électronique.

    Modifications structurelles de la glace lors de son passage dans l’espace des phases : formation de glace superionique

    Les chercheurs ont d’abord produit de la glace VII ou X à partir d’eau à température ambiante en augmentant la pression à plusieurs dizaines de Gigapascal (voir le diagramme de phases). Et puis, à pression constante, ils ont augmenté la température en la chauffant avec de la lumière laser. Au cours du processus, ils ont observé comment la structure cristalline de la glace a changé : d’abord, les atomes d’oxygène et d’hydrogène se sont déplacés un peu autour de leurs positions fixes. Ensuite, seul l’oxygène est resté fixe et a formé son propre réseau cristallin cubique. Au fur et à mesure que la température s’élevait, l’hydrogène s’ionisait, c’est-à-dire cédait son seul électron au réseau d’oxygène. Son noyau atomique – un proton chargé positivement – a ensuite traversé ce solide, le rendant électriquement conducteur. De cette façon, un hybride de solide et de liquide est créé : la glace superionique.

    Son existence a été prédite sur la base de divers modèles et a déjà été observée à plusieurs reprises dans des conditions de laboratoire. Les scientifiques ont maintenant pu synthétiser et identifier deux phases de glace superioniques – glace XVIII et glace XX -, et délimiter les conditions de pression et de température de leur stabilité. “En raison de leur densité distincte et de leur conductivité optique accrue, nous attribuons les structures observées aux phases de glace superioniques théoriquement prédites”, explique Lobanov.

    Conséquences pour l’explication du champ magnétique d’Uranus et de Neptune

    En particulier, la transition de phase vers un liquide conducteur a des conséquences intéressantes pour les questions ouvertes entourant le champ magnétique d’Uranus et de Neptune, qui sont vraisemblablement constitués de plus de soixante pour cent d’eau. Leur champ magnétique est inhabituel en ce qu’il n’est pas quasi parallèle et symétrique à l’axe de rotation – comme c’est le cas sur Terre – mais est asymétrique et décentré. Les modèles de sa formation supposent donc qu’il n’est pas généré – comme sur Terre – par le mouvement du fer en fusion dans le noyau, mais par un liquide conducteur riche en eau dans le tiers externe d’Uranus ou de Neptune.

    “Dans le diagramme de phase, nous pouvons dessiner la pression et la température à l’intérieur d’Uranus et de Neptune. Ici, la pression peut être grossièrement considérée comme une mesure de la profondeur à l’intérieur. Sur la base des limites de phase affinées que nous avons mesurées, nous voyons que environ le tiers supérieur des deux planètes est liquide, mais les intérieurs plus profonds contiennent des glaces superioniques solides. Cela confirme les prédictions sur l’origine du champ magnétique observé », résume Lobanov.

    Perspectives

    Le géophysicien souligne que d’autres investigations pour mieux clarifier la structure interne et le champ magnétique des deux planètes gazeuses seront menées au GFZ. Ici, en plus des cellules à enclume de diamant déjà utilisées, il y a à la fois le laboratoire haute pression correspondant et l’équipement de mesure spectroscopique très sensible. Lobanov a créé ce dernier dans le cadre de son financement à la tête du groupe Helmholtz Young Investigators CLEAR pour étudier les phénomènes de la Terre profonde avec des techniques de spectroscopie non conventionnelles ultra-rapides résolues en temps.

    Le financement: Les travaux de Sergey Lobanov ont été soutenus dans le cadre du Helmholtz Young Investigators Program CLEAR (VH-NG-1325).

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    Houssen Moshinaly

    Rédacteur web depuis 2009 et webmestre depuis 2011.

    Je m'intéresse à tous les sujets comme la politique, la culture, la géopolitique, l'économie ou la technologie. Toute information permettant d'éclairer mon esprit et donc, le vôtre, dans un monde obscur et à la dérive.

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