25/11/2011 - L'eau peut rester liquide jusqu'à -48,33 oC

Menéame

L’eau pure à l’état liquide peut commencer à geler à des températures bien inférieures à 0 °C, après un changement structurel antérieur dans lequel certaines molécules sont organisées en tétraèdres.

Ces structures, de localisation aléatoire, déterminent le rythme de la formation de glace à des températures allant jusqu'à -48,33 oC, selon une étude publiée cette semaine par Nature.

Quelle est la température la plus basse à laquelle l’eau liquide peut résister avant de devenir solide ? Un groupe de scientifiques de l’Université de l’Utah (États-Unis) ont analysé les facteurs qui contrôlent la formation de glace dans l’eau 'super refroidie' par des techniques informatiques et constaté qu’elle endure jusqu'à -48 °C sans geler.

Le changement d’état d’eau liquide à solide commence dans une petite région avec un processus appelé nucléation. À ce moment-là, on crée les premiers cristaux, sur lesquels arrache le phénomène de solidification du liquide.

Les impuretés que l’eau transporte souvent agissent comme des noyaux qui provoquent leur cristallisation. Toutefois, dans l’eau pure, où il n’y a ni particules ni cristaux qui agissent comme des noyaux, il faut que les températures tombent beaucoup plus longtemps pour produire une nucléation homogène de glace.

"À des températures proches de -50 °C, la cristallisation se produit très rapidement. Au-dessus de cette température, le rythme de formation de glace est limité par la capacité à créer de minuscules graines de glace, à partir desquelles la congélation augmente," explique SINC Valeria Molinero, coauteur de l’étude et chimie de l’Université de l’Utah.

Jusqu ' à présent, on avait pu observer à titre expérimental cet état liquide super refroidi de l ’, à des températures proches de celles de la nucléation, mais le mécanisme de cristallisation de la glace n ’. On ignorait à la fois la taille et la structure du noyau critique, où le processus commence.

"La rapidité avec laquelle l’eau change à très basses températures est déterminée par la transformation préalable de la structure de l’eau liquide en une disposition semblable à la glace, bien que toujours désordonnée," explique la chercheuse. "La formation de glace est déterminée par la mobilité des particules."

Les chercheurs de l’Université de l’Ohio ont étudié ce processus à l’aide de simulations informatiques, et ont observé qu’il est déterminé par un changement de structure, où prédominent les molécules liées sous forme de tétraèdre, où chacune est faiblement liée aux quatre autres.

"L’eau est un liquide liquide. Par exemple, elle diminue sa densité avec des températures inférieures à -40 °C, et augmente sa capacité thermique," note Molinero. "Nous avons montré que ces propriétés étranges viennent du processus intermédiaire de changement de structure."

Eau liquide à moins de 0 oC

Le changement d’état dans l’eau pure n’arrive pas toujours à 0 °C, comme nous l’apprenons à l’école. "0 °C est la température de fusion. La congélation se produit à ce moment-là lorsqu'il y a un substrat qui aide à la formation des premiers cristaux, sur lesquels la glace va croître," détaille Molinero. Dans cette petite région stable, on assiste à un phénomène de nucléation, qui commence à changer de phase.

Les impuretés de l’eau agissent comme des "tireurs" qui provoquent la cristallisation, mais dans les systèmes purs, la température peut descendre bien en dessous de 0° (jusqu'à -48,33 oC, selon ces récents résultats).

Les scientifiques ont observé un changement de structure intermédiaire, entre l’eau liquide et solide, caractérisé par la disposition des molécules dans les tétraèdres. "La substance change physiquement, sous une forme où chaque molécule d’eau est liée de manière flexible à quatre autres molécules, semblable à celle de la glace, et qui détermine la température dans laquelle le liquide est gelé," décrit Molinero.

L’augmentation de la proportion des quatre particules coordonnées entre elles dans la masse encore liquide provoque la cristallisation. "Le changement de phase n’est pas seulement contrôlé par la température, mais aussi par la transformation structurelle du liquide," affirme la chercheuse.

Ordination du liquide

Le processus de cristallisation commence soudainement lorsque la température requise est atteinte, avec une vitesse si élevée qu’il est difficile de l’observer. Les chercheuses ont utilisé des modèles informatiques assez simples sur lesquels elles ont pu réaliser des simulations de liquide super refroidi.

 "Les ordinateurs, par la simulation, nous ont donné une vision microscopique que les expériences ne peuvent pas atteindre pour l’instant," assure Molinero.

Ces résultats permettent de prévoir la rapidité de la cristallisation de l’eau, ce qui peut être utile pour développer des modèles prédictifs de rythmes et de températures de congélation de l’eau dans des matériaux complexes ou dans des conditions particulières.

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Localisation: Amérique du Nord

Source: Nature: Emily B. Moore et Valeria Molinero. "Structural transformation in supercooled water controls the cryptalization rate of ice."

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