La glace (celle, entre autres, des glaçons, des plaques de verglas, ou celle constituant les glaciers) est la forme la plus courante de la vingtaine de phases cristallines connues de l’eau. Les autres n’apparaissent que dans des conditions de pression et de température totalement étrangères à la surface terrestre. L’une d’entre elles, dite « superionique » ne ressemble en rien à ce que ce terme nous évoque : ses atomes d’oxygène restent emprisonnés dans un réseau cristallin rigide (comme dans un solide) , mais ses noyaux d’hydrogène circulent librement à travers ce réseau, comme s’ils appartenaient à un liquide. C’est complètement contre-intuitif, puisque dans la glace « normale », les atomes d’oxygène et d’hydrogène restent tous fixés aux différentes positions du réseau cristallin.
À mi-chemin entre les deux états de la matière, elle n’existe que si la pression environnante atteint l’équivalent de plusieurs millions d’atmosphères terrestres et sous des températures de plusieurs milliers de degrés.
Une équipe de physiciens français, menée par Alexis Forestier du CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), en collaboration avec la Sorbonne et le Synchrotron européen de Grenoble, vient d’observer pour la première fois une nouvelle phase de cette glace. Dans leur étude publiée le le 9 septembre dans la revue Physical Review Letters, ils démontrent qu’à des températures où le fer lui-même coule comme de l’eau, la pression écrasante des entrailles planétaires force les molécules d’H₂O à former un cristal d’un type inédit.
Une étrange structure dans laquelle les atomes d’oxygène s’arrangent différemment de la géométrie observée jusqu’à présent dans la glace superionique. Un résultat que des simulations numériques avaient prédit au début des années 2020, notamment celles de Cheng et ses collègues publiées dans la revue Nature Physics en 2021, mais encore jamais confirmée en laboratoire.
Dompter une matière impossible : mode d’emploi
Comme la glace superionique n’existe pas sur Terre, il est obligatoire de forcer l’eau à adopter cet état, ce qui suppose de recréer un véritable mini-enfer en laboratoire. L’équipe a comprimé une goutte d’eau microscopique entre deux pointes de diamant, le seul matériau capable d’encaisser les pressions nécessaires, tout en la chauffant par laser à 2 630 kelvins (2 357 °C).
À pression maximale, l’échantillon ne mesurait plus qu’une douzaine de micromètres, soit environ le dixième de l’épaisseur d’un cheveu, mais supportait 230 gigapascals (GPa) : 2,3 millions de fois la pression atmosphérique au niveau de la mer. Pour vous donner un ordre d’idée, le centre de la Terre atteint les 360 GPa, soit une valeur tout à fait comparable à la pression subie par le manteau profond d’Uranus.
Pour sonder ce qu’il se tramait à l’intérieur d’un échantillon si petit et chauffé à blanc, l’équipe a braqué dessus un faisceau de rayons X capable de révéler la disposition exacte des atomes d’oxygène dans le cristal. La seule forme de glace superionique que l’on connaissait jusqu’à présent était désignée sous le nom de glace XVIII, et ses atomes d’oxygène étaient organisés, selon une géométrie cubique. Comme des billes empilées les unes sur les autres, chacune des couches se superposant exactement au-dessus de la précédente.
La phase découverte par Forestier et son équipe adopte un empilement hexagonal compact, dans lequel chaque couche se décale par rapport à celle du dessous pour s’imbriquer dans ses creux, comme des œufs calés dans leur boîte alvéolée. L’état de la glace transitionne selon la pression qu’on lui inflige ; entre 130 et 200 GPa, l’arrangement cubique et l’hexagonal cohabitent au sein du même cristal. Un état transitoire, puisque passé les 200 GPa, seule la forme hexagonale domine.
Une nouvelle enquête spatiale
Aussi intéressante soit cette découverte pour la physique fondamentale, elle l’est également pour l’astrophysique. En effet, on soupçonne fortement que la glace superionique compose une part importante du manteau d’Uranus et de Neptune, deux planètes dont les champs magnétiques sont parmi les plus étranges du Système solaire : désaxés par rapport à leur axe de rotation, leurs magnétosphères sont complètement asymétriques. La communauté scientifique n’a pas encore réussi à les modéliser correctement et la conductivité électrique de la glace superionique enfouie dans leurs manteaux est justement l’une des principales suspectes.
Si la phase hexagonale, désormais confirmée, ne conduit pas l’électricité comme la cubique sur laquelle reposent tous les modèles planétaires actuels, ces derniers partaient peut-être d’une hypothèse tronquée. Pour le moment, il est impossible d’en être certain, puisque cette nouvelle forme de glace n’a été observée qu’il y a quelques jours seulement. Il faudra donc attendre quelques années avant que cette découverte expérimentale ne nous mène à une possible révision de nos modèles.