De l’eau ordinaire, comprimée à une pression gigantesque, vient de prendre une forme de glace que personne n’avait encore observée en laboratoire.
La glace de nos congélateurs n’est qu’une des nombreuses façons dont les molécules d’eau peuvent s’organiser. Lorsque la pression augmente fortement, leurs atomes changent de disposition et de nouvelles formes solides apparaissent. Des chercheurs viennent d’en observer une nouvelle, appelée glace XXII. Sa formation commence autour de 308 gigapascals, soit plus de 3 millions de fois la pression atmosphérique au niveau de la mer.
Principe d’une expérience sous haute pression dans une cellule à enclumes de diamant, avec passage d’un faisceau laser et de rayons X à travers l’échantillon.
Domaine public, via Wikimedia Commons.
Pour atteindre une telle valeur, l’équipe a placé un minuscule échantillon entre deux pointes de diamant. Ce dispositif concentre une force sur une surface extrêmement petite. Les chercheurs ont ensuite suivi la disposition des atomes grâce à des rayons X très intenses produits par un synchrotron. Une autre technique, fondée sur la lumière laser, leur a permis de repérer les changements dans le matériau.
Avant d’atteindre cette pression, l’eau avait déjà cessé depuis longtemps de ressembler à notre glace familière. Au-delà d’environ 70 gigapascals, elle adopte une forme appelée glace X. Les atomes d’oxygène y suivent une organisation très régulière. En augmentant encore la pression, les chercheurs ont constaté que cette organisation commençait progressivement à se déformer.
Puis, autour de 308 gigapascals, les mesures changent nettement. Les signaux produits par les rayons X indiquent une nouvelle disposition des atomes. La glace X est alors remplacée par la glace XXII. Les expériences indiquent que cette nouvelle forme reste stable au moins jusqu’à environ 340 gigapascals.
Diagramme de phase proposé pour l’eau jusqu’à 500 GPa.
Cette transformation était attendue depuis près de trente ans. Des calculs avaient prédit qu’à très haute pression, l’organisation très symétrique de la glace X finirait par laisser place à une structure moins symétrique. Les mesures correspondent à cette prédiction. Selon les auteurs, la glace XXII est aussi la forme solide d’eau la plus dense observée expérimentalement à ce jour.
Ces pressions paraissent démesurées à l’échelle terrestre, mais elles peuvent exister à l’intérieur de grandes planètes. L’eau n’y est pas seulement soumise à une forte pression : les températures peuvent également atteindre plusieurs milliers de degrés. Connaître les formes possibles de l’eau aide donc à construire des modèles plus réalistes de l’intérieur des planètes géantes et de certains mondes riches en eau.
La glace XXII ne doit toutefois pas être considérée comme une simple version très comprimée d’un glaçon. À ces pressions, les liaisons entre l’hydrogène et l’oxygène ont profondément changé. L’organisation des atomes détermine notamment la densité et le comportement du matériau. Les expériences donnent ainsi un point de repère concret pour tester les calculs utilisés lorsque les conditions deviennent impossibles à reproduire directement sur de grandes quantités de matière.
La prochaine frontière se situe encore beaucoup plus loin. Les calculs prévoient une autre modification de la glace vers 760 gigapascals, mais les techniques actuelles de compression statique ne permettent pas encore de l’étudier convenablement. Les chercheurs veulent aussi relier ces expériences à celles menées par compression brutale, où l’eau chauffée à plus de 2 000 °C peut adopter d’autres états sous des pressions comparables.
