Glace superionique

Réseau cristallin cubique centré.

La, ou les glaces superioniques sont des phases de l'eau qui existent uniquement dans des conditions de températures et de pressions extrêmes. Dans l'état superionique de H2O, les ions hydrogène diffusent au sein d'un réseau cristallin d'ions oxygènes fixes, tel que dans les conducteurs ioniques à l'état solide. Les glaces VII''[1] et XVIII[2] sont des glaces superioniques, présentant respectivement des sous-réseaux d'oxygène cubique centré, et cubique à faces centrées.

Les conditions de pressions et de températures gigantesques nécessaire à la stabilité des glaces superioniques correspondent à celles qui règnent dans les intérieurs de planètes géantes telles qu'Uranus et Neptune. Ces planètes pourraient en effet présenter des manteaux riches en glaces superioniques, pouvant jouer un rôle dans leurs champs magnétiques inhabituels[3],[4]. En laboratoire, il est possible d'obtenir ces formes de glaces par compression dynamique à l'aide d'impulsions laser[2] (telles que sur l'installation NIF aux États-Unis), ou par compression statique en cellule à enclumes de diamant couplée à un système de chauffage[1],[5],[6],[7].

Propriétés

Dans la glace superionique, les ions oxygène sont agencés selon un réseau cristallin tandis que les ions hydrogène diffusent quasi-librement dans le réseau d'oxygène[8]. Les ions hydrogène librement mobiles rendent la glace superionique presque aussi conductrice que des métaux[2]. C'est l'une des nombreuses (entre 18 et 21, selon les auteurs) 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 , 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[9],[10].

Historique des prédictions et découvertes

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 à enclumes de diamant[11] et, bien plus récemment, de mesures optiques sur l'eau compressée par des lasers puissants[12]. Les premières preuves concrètes de la structure cristalline de la glace XVIII viennent de mesures de diffraction des rayons X rapportées en 2019[2].

Depuis 2020, une série d'expériences menées en cellule à enclumes de diamant à des pressions de 14 à 200 GPa et des températures de 500 à 2 500 K par plusieurs équipes de recherches indépendantes ont permis d'observer deux polymorphes de la glace superionique : la glace VII'', de sous-réseau d'oxygène cubique centré jusque vers 1 500–2 000 K (selon la pression) et la glace XVIII, cubique à faces centrées, au-delà[1],[5],[6],[7],[13].

Présence possible dans les géantes de glace

La glace superionique est théoriquement présente dans les manteaux de planètes géantes de glaces telles qu'Uranus et Neptune[8],[14],[15]. Cependant, d'autres études suggèrent que d'autres éléments présents dans ces planètes, tel que le carbone, pourrait empêcher la formation d'eau superionique[16].

Références

  1. 1 2 3 J.-A. Queyroux, J.-A. Hernandez, G. Weck et S. Ninet, « Melting Curve and Isostructural Solid Transition in Superionic Ice », Physical Review Letters, vol. 125, no 19,‎ , p. 195501 (DOI 10.1103/PhysRevLett.125.195501, lire en ligne, consulté le )
  2. 1 2 3 4 (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. ↑ (en) K. M. Soderlund et S. Stanley, « The underexplored frontier of ice giant dynamos », Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, vol. 378, no 2187,‎ , p. 20190479 (ISSN 1364-503X et 1471-2962, PMID 33161852, PMCID 7658784, DOI 10.1098/rsta.2019.0479, lire en ligne, consulté le )
  4. ↑ Ronald Redmer, Thomas R. Mattsson, Nadine Nettelmann et Martin French, « The phase diagram of water and the magnetic fields of Uranus and Neptune », Icarus, vol. 211, no 1,‎ , p. 798–803 (ISSN 0019-1035, DOI 10.1016/j.icarus.2010.08.008, lire en ligne, consulté le )
  5. 1 2 (en) Vitali B. Prakapenka, Nicholas Holtgrewe, Sergey S. Lobanov et Alexander F. Goncharov, « Structure and properties of two superionic ice phases », Nature Physics, vol. 17, no 11,‎ , p. 1233–1238 (ISSN 1745-2481, DOI 10.1038/s41567-021-01351-8, lire en ligne, consulté le )
  6. 1 2 (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).
  7. 1 2 Alexis Forestier, Gunnar Weck, Frédéric Datchi et Sandra Ninet, « X-Ray Signature of the Superionic Transition in Warm Dense fcc Water Ice », Physical Review Letters, vol. 134, no 7,‎ , p. 076102 (DOI 10.1103/PhysRevLett.134.076102, lire en ligne, consulté le )
  8. 1 2 (en-US) David Shiga, « Weird water lurking inside giant planets », sur New Scientist (consulté le )
  9. ↑ (en-US) « 'Exotic' form of superionic ice simultaneously a solid and a liquid », sur NewsCenter, (consulté le )
  10. ↑ (en) Joshua Sokol, « Black, Hot Ice May Be Nature’s Most Common Form of Water », sur Quanta Magazine (consulté le )
  11. ↑ (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 )
  12. ↑ (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 )
  13. ↑ (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 ).
  14. ↑ (en) Emma Marris, « Giant planets may host superionic water », Nature,‎ (ISSN 1476-4687, DOI 10.1038/news050321-4, lire en ligne, consulté le )
  15. ↑ Floriane Boyer, « Eau superionique : son existence enfin prouvée », sur Futura, (consulté le )
  16. ↑ (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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