12/06/2013 - Nouvelle théorie sur le comportement de la glace sous pression

Menéame

En utilisant de nouvelles techniques révolutionnaires, une équipe dirigée par Malcolm Guthrie, de Institut Carnegie (États-Unis) a fait une découverte surprenante sur la façon dont la glace se comporte sous pression, en changeant des idées datant d’il y a près de 50 ans.

Sushalazgos pourraient modifier notre compréhension de la façon dont les molécules d’eau répondent aux conditions qui se trouvent au fond des planètes et pourrait avoir des implications pour la science de l’énergie. Les résultats de ses travaux sont publiés dans "Proceedings of the National Academy of Sciences,"

Lorsque l’eau gèle dans la glace, ses molécules sont reliées entre elles dans un réseau cristalline et restent liées par des liaisons hydrogène, qui sont très polyvalentes et, par conséquent, la glace cristalline révèle une incroyable diversité d’au moins 16 structures différentes.

Dans toutes ces formes de glace, la molécule de H2O simple est le composant de base universel. Cependant, en 1964, on a prédit que, sous une pression suffisante, les liaisons d’hydrogène pourraient être renforcées à tel point qu’elles pourraient en réalité briser les molécules d’eau. La possibilité de l’observation directe d’une molécule d’eau dissociée dans la glace s’est révélée être une attraction fascinante pour les scientifiques et a suscité de nombreuses recherches au cours des 50 dernières années. Au milieu des années 1990, plusieurs équipes, dont un groupe de Carnegie, ont observé la transition par des techniques spectroscopiques, mais en tant qu’outils indirects, elles ne pourraient révéler qu’une partie de l’image.

La méthode idéale est celle qui permet de "voir" les atomes d’hydrogène ou protons directement, ce qui peut être fait par le rebond de neutrons hors de la glace, puis, avec soin, la mesure de la façon dont ils sont dispersés. Cependant, l’application de cette technique à des pressions suffisamment élevées pour voir comment les molécules d’eau se dissocient tout simplement n’avait pas été possible dans le passé. Guthrie a expliqué: "On ne peut parvenir à ces pressions extrêmes que si les échantillons de glace sont très petits, mais malheureusement, cela rend les atomes d’hydrogène très difficiles à voir."

La fontaine d’indentones par Spalation (Spallation Nuclear Source) a été inaugurée au Laboratoire National d’Oak Ridge au Tennessee en 2006, offrant une nouvelle source de neutrons brillante. Grâce à la conception d’un nouveau type d’outils qui ont été optimisés pour profiter de ce flux inégalé de neutrons, Guthrie et ses compagnons d’équipe de Carnegie Russell Hemley, Reinhard Boehler et Kuo Li, ainsi que Chris Tulk, Jamie Molaison et António dos Santos, de Laboratoire National Oak Ridge, ont réussi à obtenir le premier coup d’oeil des atomes d’hydrogène dans la glace elle-même à des pressions sans précédent de plus de 500 000 fois la pression atmosphérique.

"Les neutrons nous racontent une histoire que les autres techniques n’ont pas pu, dit Hemley, directeur du Laboratoire géophysique de Carnegie. Les résultats indiquent que la séparation des molécules d’eau suit deux mécanismes différents. Certaines molécules commencent à se dissocier de pressions beaucoup plus basses et à travers un chemin différent de ce qui a été prédit dans le papier classique de 1964."

"Nos données peignent un tableau de glace entièrement nouveau," a déclaré Guthrie. "Non seulement les résultats ont des conséquences considérables pour la compréhension du lien H2O, les observations peuvent aussi soutenir une proposition antérieure sur une théorie selon laquelle les protons dans la glace à l’intérieur des planètes peuvent être mobiles, même si la glace reste solide."

Tulk a conclu: "C’est un grand progrès technique qui change le jeu. Les applications pourraient être étendues à des systèmes qui sont essentiels aux défis sociaux, tels que l’énergie. Par exemple, la technique peut fournir une meilleure compréhension du méthane contenant des glucides clatrats et même des matériaux de stockage d’hydrogène qui peuvent actionner des voitures un jour."

Et cette découverte surprenante ne peut devenir que le début des découvertes scientifiques.

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Ce travail a été soutenu par EFree, un centre de recherche appartenant au Energy Frontier Research Center, financé par le ministère américain de l’énergie (DOE), le Bureau des sciences, Bureau des sciences de base de l’Énergie (BES). La recherche menée à la Source d’aérosols, le Laboratoire national de Oak Ridge, avec l ’: Division des services d’usager des sciences, sciences de l’énergie Basic, DOE.

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