Glace superionique

Réseau cristallin cubique centré.

La glace superionique, aussi appelée glace XVIII voire H2O superionique[1], est une phase de l'eau existant uniquement dans des conditions de très hautes températures et très hautes pressions[2].

Propriétés

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Dans la glace superionique, les molécules d'eau se brisent et les ions oxygène se cristallisent en un réseau uniformément espacé tandis que les ions hydrogène flottent librement dans le réseau d'oxygène[3]. Les ions hydrogène librement mobiles rendent la glace superionique presque aussi conductrice que des métaux[2]. C'est l'une des 18 phases cristallines connues de la glace. La glace superionique est à distinguer de l'autoprotolyse de l'eau, qui est un état liquide hypothétique caractérisé par une soupe désordonnée d'ions hydrogène et oxygène.

Si elle était présente à la surface de la Terre, la glace superionique ne serait pas stable. En mai 2019, les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont pu synthétiser de la glace superionique, confirmant qu'elle était presque quatre fois plus dense que la glace normale et de couleur noire[4],[5].

Historique des prédictions et découvertes

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Bien que théorisée pendant des décennies, ce n'est que dans les années 1990 que les premières preuves expérimentales de la glace superionique apparaissent. Les premières preuves proviennent de mesures optiques d'eau chauffée par laser dans une cellule de diamant[6] et de mesures optiques d'eau compressée par des lasers puissants[7]. Les premières preuves concrètes de la structure cristalline du réseau d'oxygène dans la glace superionique viennent de mesures aux rayons X rapportées en 2019[2].

En 2022, des expériences menées en cellule-diamant à des pressions de 27 à 170 GPa et des températures de 500 à 2 500 K montrent qu'il existe en fait deux polymorphes de la glace superionique : cubique centré jusque vers 1 500–2 000 K (selon la pression) et cubique à faces centrées au-delà[8],[9].

Présence possible dans les géantes de glace

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La glace superionique est théoriquement présente dans les manteaux de planètes géantes de glaces telles qu'Uranus et Neptune[3],[10],[11]. Cependant, d'autres études suggèrent que d'autres éléments présents dans ces planètes, tel que le carbone, pourrait empêcher la formation d'eau superionique[12].

Références

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  1. ↑ « Des chercheurs ont créé un nouveau type de glace d’eau », sur Sciences et Avenir (consulté le )
  2. ↑ a b et c (en) Marius Millot, Federica Coppari, J. Ryan Rygg et Antonio Correa Barrios, « Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice », Nature (London), vol. 569, no 7755,‎ (ISSN 0028-0836, DOI 10.1038/s41586-019-1114-6, lire en ligne, consulté le )
  3. ↑ a et b (en-US) David Shiga, « Weird water lurking inside giant planets », sur New Scientist (consulté le )
  4. ↑ (en-US) « 'Exotic' form of superionic ice simultaneously a solid and a liquid », sur NewsCenter, (consulté le )
  5. ↑ (en) Joshua Sokol, « Black, Hot Ice May Be Nature’s Most Common Form of Water », sur Quanta Magazine (consulté le )
  6. ↑ (en) Alexander F. Goncharov, Nir Goldman, Laurence E. Fried et Jonathan C. Crowhurst, « Dynamic Ionization of Water under Extreme Conditions », Physical Review Letters, vol. 94, no 12,‎ , p. 125508 (DOI 10.1103/PhysRevLett.94.125508, lire en ligne, consulté le )
  7. ↑ (en) Marius Millot, Sebastien Hamel, J. Ryan Rygg et Peter M. Celliers, « Experimental evidence for superionic water ice using shock compression », Nature Physics, vol. 14, no 3,‎ , p. 297–302 (ISSN 1745-2481, DOI 10.1038/s41567-017-0017-4, lire en ligne, consulté le )
  8. ↑ (en) Heather M. Hill, « Ice is two-faced under pressure », Physics Today,‎ (DOI 10.1063/PT.6.1.20220425a, lire en ligne Accès libre, consulté le ).
  9. ↑ (en) Gunnar Weck, Jean-Antoine Queyroux, Sandra Ninet, Frédéric Datchi, Mohamed Mezouar et Paul Loubeyre, « Evidence and Stability Field of fcc Superionic Water Ice Using Static Compression », Physical Review Letters, vol. 128, no 16,‎ , article no 165701 (DOI 10.1103/PhysRevLett.128.165701).
  10. ↑ (en) Emma Marris, « Giant planets may host superionic water », Nature,‎ (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/news050321-4, lire en ligne, consulté le )
  11. ↑ Floriane Boyer, « Eau superionique : son existence enfin prouvée », sur Futura (consulté le )
  12. ↑ (en) Ricky Chau, Sebastien Hamel et William J. Nellis, « Chemical processes in the deep interior of Uranus », Nature Communications, vol. 2, no 1,‎ , p. 203 (ISSN 2041-1723, DOI 10.1038/ncomms1198, lire en ligne, consulté le )
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