Les Experts disent que la découverte de la glace superionique justifie les prédictions informatiques, ce qui pourrait aider les physiciens des matériaux à fabriquer de futures substances aux propriétés sur mesure. Et trouver la glace nécessitait des mesures ultrarapides et un contrôle fin de la température et de la pression, faisant progresser les techniques expérimentales. ” Tout cela n’aurait pas été possible, disons, il y a cinq ans », a déclaré Christoph Salzmann de L’University College de Londres, qui a découvert le CIEM XIII, XIV et XV. » cela aura un impact énorme, c’est sûr., »
selon qui vous demandez, la glace superionique est soit un autre ajout à la gamme déjà encombrée d’avatars de l’eau, soit quelque chose d’encore plus étrange. Parce que ses molécules d’eau se séparent, a déclaré la physicienne Livia Bove du Centre national de la recherche scientifique et de L’Université Pierre et Marie Curie, ce n’est pas tout à fait une nouvelle phase de l’eau. « C’est vraiment un nouvel état de la matière”, dit-elle, « ce qui est assez spectaculaire., »
Puzzles mis sur la glace
les physiciens recherchent la glace superionique depuis des années — depuis qu’une simulation informatique primitive menée par Pierfranco Demontis en 1988 a prédit que l’eau prendrait cette forme étrange, presque métallique, si vous la repoussiez au-delà de la carte des phases de glace connues.
sous une pression et une chaleur extrêmes, les simulations suggérées, les molécules d’eau se brisent. Avec les atomes d’oxygène enfermés dans un réseau cubique, « les hydrogènes commencent maintenant à sauter d’une position dans le cristal à une autre, et sautent à nouveau, et sautent à nouveau”, a déclaré Millot., Les sauts entre les sites du réseau sont si rapides que les atomes d’hydrogène — qui sont ionisés, ce qui en fait des protons essentiellement chargés positivement — semblent se déplacer comme un liquide.
cela suggérait que la glace superionique conduirait l’électricité, comme un métal, avec les hydrogènes jouant le rôle habituel d’électrons. Avoir ces atomes d’hydrogène lâches jaillissant autour augmenterait également le désordre de la glace, ou entropie. À son tour, cette augmentation de l’entropie rendrait cette glace beaucoup plus stable que les autres types de cristaux de glace, ce qui entraînerait son point de fusion à monter en flèche.,
Mais tout cela était facile à imaginer et difficile de faire confiance. Les premiers modèles utilisaient une physique simplifiée, se frayant un chemin à travers la nature quantique des molécules réelles. Les simulations ultérieures se sont pliées en plus d’effets quantiques, mais ont toujours évité les équations réelles requises pour décrire plusieurs corps quantiques en interaction, qui sont trop difficiles à résoudre sur le plan informatique. Au lieu de cela, ils se sont appuyés sur des approximations, soulevant la possibilité que l’ensemble du scénario ne soit qu’un mirage dans une simulation., Les expériences, quant à elles, ne pouvaient pas faire les pressions requises sans générer suffisamment de chaleur pour faire fondre même cette substance robuste.
alors que le problème mijotait, cependant, les scientifiques planétaires ont développé leurs propres soupçons furtifs que l’eau pourrait avoir une phase de glace superionique. Juste au moment où la phase a été prédite, la sonde Voyager 2 avait navigué dans le système solaire extérieur, découvrant quelque chose d’étrange sur les champs magnétiques des géants de glace Uranus et Neptune.,
les champs autour des autres planètes du système solaire semblent être constitués de pôles nord et sud fortement définis, sans beaucoup d’autre structure. C’est presque comme s’ils avaient juste des aimants de barre dans leurs centres, alignés avec leurs axes de rotation. Les scientifiques planétaires considèrent cela comme des « dynamos »: des régions intérieures où les fluides conducteurs montent et tourbillonnent à mesure que la planète tourne, générant des champs magnétiques massifs.
en revanche, les champs magnétiques émanant D’Uranus et de Neptune semblaient plus grumeleux et plus complexes, avec plus de deux pôles., Ils ne s’alignent pas aussi étroitement sur la rotation de leurs planètes. Une façon de produire cela serait de confiner en quelque sorte le fluide conducteur responsable de la dynamo dans une mince enveloppe extérieure de la planète, au lieu de le laisser atteindre le noyau.
Mais l’idée que ces planètes pourraient avoir des noyaux solides, qui sont incapables de générer des dynamos, ne semblait pas réaliste. Si vous Forez dans ces géants de glace, vous vous attendez à rencontrer d’abord une couche d’eau ionique, qui coulerait, conduirait des courants et participerait à une dynamo., Naïvement, il semble qu’un matériau encore plus profond, à des températures encore plus chaudes, serait également un fluide. « J’avais l’habitude de toujours faire des blagues qu’il n’y a aucun moyen que les intérieurs D’Uranus et de Neptune soient réellement solides”, a déclaré Sabine Stanley à L’Université Johns Hopkins. « Mais maintenant, il s’avère qu’ils pourraient l’être. »
Ice on Blast
maintenant, enfin, Coppari, Millot et leur équipe ont réuni les pièces du puzzle.
dans une expérience antérieure, publiée en février dernier, les physiciens ont construit des preuves indirectes de la glace superionique., Ils ont pressé une gouttelette d’eau à température ambiante entre les extrémités pointues de deux diamants taillés. Au moment où la pression a augmenté à environ un gigapascal, à peu près 10 fois plus au fond de la fosse des Mariannes, l « eau s » était transformée en un cristal tétragonal appelé glace VI. par environ 2 gigapascals, il était passé en glace VII, un plus dense, forme cubique transparente à l » œil nu que les scientifiques ont récemment découvert existe,
ensuite, en utilisant le laser OMEGA du laboratoire D’énergie Laser, Millot et ses collègues ont ciblé la glace VII, toujours entre les enclumes de diamant. Comme le laser a frappé la surface du diamant, il a vaporisé le matériau vers le haut, entraînant efficacement le diamant dans la direction opposée et envoyant une onde de choc à travers la glace. L’équipe de Millot a constaté que leur glace super-pressurisée fondait à environ 4 700 degrés Celsius, à peu près comme prévu pour la glace superionique, et qu’elle conduisait de l’électricité grâce au mouvement des protons chargés.,
avec ces prédictions sur les propriétés en vrac de la glace superionique établies, la nouvelle étude dirigée par Coppari et Millot a franchi la prochaine étape de la confirmation de sa structure. ” Si vous voulez vraiment prouver que quelque chose est cristallin, alors vous avez besoin de la diffraction des rayons X », a déclaré Salzmann.
leur nouvelle expérience a complètement ignoré les CIEM VI et VII. Au lieu de cela, l’équipe a simplement brisé l’eau avec des explosions laser entre les enclumes de diamant., Milliardièmes de seconde plus tard, alors que les ondes de choc déferlaient et que l’eau commençait à se cristalliser en glaçons de taille nanométrique, les scientifiques ont utilisé 16 autres faisceaux laser pour vaporiser un mince ruban de fer à côté de l’échantillon. Le plasma chaud résultant a inondé l’eau de cristallisation avec des rayons X, qui ont ensuite diffracté des cristaux de glace, permettant à l’équipe de discerner leur structure.
Les atomes dans l’eau s’étaient réarrangés dans L’architecture prévue depuis longtemps mais jamais vue auparavant, Ice XVIII: un réseau cubique avec des atomes d’oxygène à chaque coin et au centre de chaque face., ” C’est tout à fait une percée », a déclaré Coppari.
« le fait que l’existence de cette phase ne soit pas un artefact de simulations dynamiques moléculaires quantiques, mais est réel — c’est très réconfortant”, a déclaré Bove.
et ce genre de recoupement réussi derrière des simulations et de la vraie glace superionique suggère que le « rêve” ultime des chercheurs en physique des matériaux pourrait être bientôt à portée de main., « Vous me dites quelles propriétés Vous voulez dans un matériau, et nous irons à l’ordinateur et déterminerons théoriquement de quel matériau et de quel type de structure cristalline vous auriez besoin”, a déclaré Raymond Jeanloz, membre de l’équipe discovery basée à L’Université de Californie à Berkeley. « La communauté dans son ensemble se rapproche. »
les nouvelles analyses suggèrent également que bien que la glace superionique conduise de l’électricité, c’est un solide pâteux. Cela coulerait au fil du temps, mais pas vraiment de désabonnement., À L’intérieur D’Uranus et de Neptune, alors, des couches fluides pourraient s’arrêter à environ 8 000 kilomètres vers le bas dans la planète, où commence un énorme manteau de glace léthargique et superionique comme L’équipe de Millot produite. Cela limiterait la plupart des actions de dynamo à des profondeurs moins profondes, ce qui expliquerait les champs inhabituels des planètes.
Les autres planètes et lunes du système solaire n’abritent probablement pas les bons points doux intérieurs de température et de pression pour permettre la glace superionique. Mais de nombreuses exoplanètes géantes de glace pourraient, suggérant que la substance pourrait être commune à l’intérieur des mondes glacés dans toute la galaxie.,
bien sûr, cependant, aucune planète réelle ne contient que de l’eau. Les géants de glace de notre système solaire se mélangent également à des espèces chimiques comme le méthane et l’ammoniac. La mesure dans laquelle le comportement superionique se produit réellement dans la nature « va dépendre de la question de savoir si ces phases existent toujours lorsque nous mélangeons de l’eau avec d’autres matériaux”, a déclaré Stanley. Jusqu’à présent, ce n’est pas clair, bien que d’autres chercheurs aient soutenu que l’ammoniac superionique devrait également exister.,
en plus d’étendre leurs recherches à d’autres matériaux, l’équipe espère également continuer à se concentrer sur l’étrange, presque paradoxale dualité de leurs cristaux superioniques. Capturer simplement le réseau d’atomes d’oxygène « est clairement l’expérience la plus difficile que j’ai jamais faite”, a déclaré Millot. Ils n’ont pas encore vu le flux fantomatique et interstitiel de protons à travers le réseau. ” Technologiquement, nous n’en sommes pas encore là », a déclaré Coppari, » mais le domaine se développe très rapidement.”