Introduction.
De nombreuses équipes de chercheurs réalisent des séries d'expériences, elles prolongent celles effectuées depuis des décennies concernant les différentes phases de l'eau solidifiée : la glace.

Glaciation.
Si l’on refroidit l’eau liquide, l’agitation thermique* des molécules d’eau diminue progressivement et les liaisons hydrogènes, qui pouvaient aisément se tordre dans le liquide, se raidissent progressivement pour devenir pratiquement rectilignes (droites). Les molécules d’eau forment alors une structure rigide très organisée : l’eau s’est transformée en glace.
* Mouvement incessant dont sont animés les atomes ou molécules qui constituent la matière, et ce quel que soit l\'état gazeux, liquide ou solide, dans lequel elle se trouve. Ce mouvement est d\'autant plus énergique que la température est élevèe.

Alors que dans l'eau liquide l'agitation thermique résiduelle permettait aux liaisons hydrogène de se tordre, donnant aux molécules d’eau une certaine liberté de mouvement, au sein de la glace, l’agitation thermique des molécules d’eau est réduite au minimum : les molécules ne peuvent plus changer de position, elles ne peuvent que vibrer autour de cette position. Elles forment un ensemble structuré où chaque atome d’oxygène est au centre d’un tétraèdre dont les sommets sont occupés par les atomes d’oxygène des 4 molécules d’eau voisines :

(d'après R. Bichac)
Hydrogène et Oxygène >

or, l'un des arrangements tetraédriques les moins compacts est la structure hexagonale, mais cette configuration crée des "trous" dans la glace, qui devient du coup, moins dense que l'eau liquide : la masse volumique de la glace est donc inférieure à celle de l'eau.
Egalement, contrairement à tous les autres corps, la température de fusion de la glace diminue quand la pression augmente : un autre comportement tout à fait étonnant, car le phénomène est différent pour la plupart des autre corps solides.
Autrement dit, si l'on comprime la glace sans la réchauffer : elle fond (ce qui arrange les patineurs !).
Ce sont encore les liaisons hydrogène qui sont à l’origine de ce phénomène : sous l’effet d’une compression, celles-ci, en effet, s'affaiblissent et se tordent.

Nota : Les plus petites gouttes d’eau capables de se transformer en une glace thermodynamiquement stable ne contiennent pas plus de 90 molécules ! (chercheurs du CNRS et de l'ENS-PSL - avec le soutien d'une équipe de l'Ecole polytechnique, 2019).

- La glace ordinaire.
Si, à la pression atmosphérique normale (1 atm ou 1013,25 hPa), on abaisse la température de l’eau liquide en dessous de 0° Celsius (soit 273,15 K), l’eau se solidifie : elle se transforme en glace.
NB:
. la fusion est l'inverse de la solidification (solide>liquide), la sublimation est le passage direct du solide à l'état gazeux (l'inverse gaz > solide est la sublimation inverse ou condensation solide).
. la neige (voir également ces pages spéciales) n'est que de l'eau de pluie gelée (agglomérations de cristaux de glace), et toute grande masse de glace naturelle provenant de la neige, permanente à l'échelle humaine forme les glaciers (pages internes).

Rappel des états physiques de l'eau en fonction de Température & Pression :

La structure tétraédrique présente dans l’eau liquide se fige alors et l’ordre local devient un ordre à grande distance. Cette glace est donc un solide cristallin.

Propriétés de la glace d'eau pure.
Rappel de quelques propriétés :

• Masse volumique (kg m3^-1) : 917 à 0°C (eau liquide pure : 999,8, voilà pourquoi la glace flotte sur l'eau)
• Chaleur spécifique (massique) : 2060 J kg^-1 (492 cal kg^-1) à 0°C
  
  (Cp en kJ kg-¹)
  
• Chaleur latente de fusion : 334,25 kJ kg^-1, et chaleur molaire de fusion : 6,02 kJ mol^-1
• Augmentation de volume due à la solidification : environ 1/11 (9,09%)
• Indice de réfraction : 1,31 ( eau : 1,3330 à 589,29 nm de longueur d'onde g et à 20°C, sous P= 1013,25 hPa )
  
  
• Minimas auquels l'eau liquide peut exister : -21,985°C, à 209,9 MPa de pression (2071,55 atmosphères).

Nota : l’eau peut donc exister à l’état liquide en dessous de 0°C à la pression atmosphèrique "normale", cet état est appelé surfusion (c'est un état métastable et la limite de la surfusion est estimée à –39°C sous 1 atmosphère).
Cet état se produit lorsque l'on refroidit l'eau rapidement, et l'on alors peut dépasser le point de congélation (dû à mécanisme d'obstruction à la formation d'un réseau cristallin*),
puis, par apport d'énergie (choc ou impureté), un dégagement de chaleur va se produire (libération d'énergie de 334,25 kJ kg^-1.K^-1, conditions TPN) qui fait remonter la température au voisinage de 0°C et la solidification a alors lieu :

Ce phénomène prend un certain temps, d'où la surfusion pendant ce délai :

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Voir ici la vidéo du phénomène (cette vidéo montre de l'eau liquide à une température de -21°C qui se congèle dès qu'elle entre avec une surface solide).

Remarques :
- des scientifiques ont pu atteindre une température de -67.15 °C (206 K) en utilisant un système à base de matériau nanoporeux de 2.3 nm (MCM-41) , calciné et rendu hydrophobe par traitement chimique, et une pression de 90 bars (J. Deschampsab, F. Audonnetac, N. Brodie-Linderad, M. Schoeffela et C. Alba-Simionescoac), Physical Chemistry Chemical Physics, 2010, 12, 1440).
- des chercheurs de l'Université de Frankfort (GOETHE UNIVERSIÄT, Allemagne, 2018) ont réussi à porter de l'eau ultra pure à -42.55 °C (230.6 K) sans qu'elle ne gèle, un record de surfusion obtenu dans le vide et sans ajout de produits chimique.---

* la théorie voulant que, tout comme le verre reste liquide du fait de l’apparition d’assemblages d’atomes formant des solides platoniciens, il devrait se former dans un liquide en surfusion des structures différentes. On sait en effet que dans le plan et dans l’espace, il est impossible de former des pavages réguliers avec des structures possédant une symétrie d’ordre 5, c'est-à-dire des pentagones dans le plan et des icosaédres dans l’espace (notons tout de même que des pavages quasi-périodiques, comme les célèbres pavages de Penrose sont possibles dans le plan). Un cristal ne peut donc pas exister si des agrégats d'atomes avec des structures de ce type apparaissent dans le liquide. La présence de ces structures pouvait être mise en évidence à l’aide des rayons X produits à l’ESRF et c’est bien ce que les chercheurs ont fait comme ils l’expliquent dans un article de Nature (2014). L'hypothèse que dans d'autres liquides en état de surfusion, le même mécanisme d'obstruction à la formation d'un réseau cristallin est à l'oeuvre en sort donc renforcée.

En règle générale, les corps sont tous plus denses à l’état solide qu’à l’état liquide.
Mais il y a deux exceptions connues à cette règle : l’eau, et le Bismuth (métal, symbole : Bi - Masse atomique : 208,98 - Densité : 9,8 - Fusion : 271,3°C - Ebullition : 1560°C +/-5).
La glace (d'eau pure ou douce) est en effet moins dense ( plus "légère") que l’eau liquide : masse volumique : 917 kg m^-3 à 0ºC, contre 999,87 kg m^-3 à 0ºC pour l'eau liquide (999,9 kg m^-3 pour l'eau à 4°C).
Rappel : bien qu’il y ait autant de liaisons hydrogène dans la glace et dans l’eau liquide, dans la glace elles sont rectilignes alors que dans l’eau liquide elles sont "tordues" : les distances entre molécules d'eau sont donc légèrement supérieures dans la glace à ce qu’elles sont dans l'eau liquide.
Il y a donc plus de "vide" (de lacunes) dans la glace que dans l’eau liquide et c’est pourquoi la glace a un volume plus grand, et est de fait moins dense
(NB : l'augmentation de volume est de 9% sous pression atm. normale).

Iceberg flottant sur l'eau de mer :

Cela explique aussi que lorsqu’une bouteille ou une canalisation pleine d’eau gèle, elle se brise : une même quantité d’eau occupe un volume plus grand sous forme de glace qu’à l’état liquide; ainsi en gelant l’eau se dilate, faisant alors éclater bouteilles et canalisations (pression > 5 tonnes/cm²).
Nota : calcul de la partie surnageante d'un iceberg (> voir Hydrostatique ).

Egalement , dans l'équilibre :

en ajoutant de la chaleur à volume constant, la température augmente et la pression diminue : selon le Principe de Le Chatelier (voir ces pages ici), l'ajout de chaleur à pour effet de déplacer l'équilibre vers la droite, de l'eau liquide se forme, plus dense que la glace, et par ailleurs selon le diagramme d'équilibre des phases de l'eau (courbe solide-liquide), lorsque la température augmente la pression doit diminuer :

(Nota : échelle volontairement déformée pour la lisibilité)

Une augmentation de pression à température constante, sur l'équilibre glace-eau, déplace celui-ci en faveur de la masse la plus compacte c'est à dire l'eau liquide :

Exemple : en partant du point F situé dans la phase solide (glace) à pression d'environ 1013 hPa (1 atm) et à température de -0,1°C constante, si nous montons en pression, arrivé au point G la glace commence à fondre (fusion), et au point H la glace est entièrement fondue et nous arrivons en phase liquide uniquement.
Nota : on remarquera que la pente de la droite solide-liquide est négative.

Graphe montrant les variations de volume en fonction de la pression (glace et eau) :

Nota : les températures notées représentent les variations des points de fusion.

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(suite des Propriétés)

Propriétés (suite).
Sublimation.
Ce phénomène, semblable à l'évaporation des liquides, se produit lorsqu'un solide passe directement à l'état de gaz, donc lorsque la glace (ou la neige) se transforme directement en vapeur. La sublimation va se réaliser parcequ'un certain nombre de molécules du cristal de glace ont assez d'énergie pour s'en détacher, quelque soit la température. La vitesse de sublimation est faible aux conditions normales de pression et de température, mais on peut augmenter le taux de sublimation en abaissant la pression exercé sur la glace (ou la neige).

La pression de la vapeur en équilibre avec la glace est appelé pression de sublimation du solide (ou pression de vapeur à l'équilibre de la glace) et celle-ci augmente avec la température.

(Nota : échelle déformée pour la lisibilité)

A noter que les pressions (P) et température (T) limites pour ce phénomène sont situés au point triple, soit P = 6,11 hPa (0,06 atm) et T = 0,01 °C (273,16 K) - (plus exactement : 0,0075 °C).

NOTES : le diagramme des phases du dioxyde de carbone (CO2, anhydride -ou gaz- carbonique) montre que, contrairement à l'eau, la droite solide (glace carbonique) et liquide (CO2 liquide) présente une pente positive : la glace de CO2 est plus dense que le gaz CO2 liquide.
Nota : Masse volumique de la phase liquide (à -20 °C et 19,7 bar) : 1032 kg/m3 et Masse volumique du solide : 1562 kg/m3.

>>> Voir éventuellement les pages spéciales sur ce gaz.

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Mélange glace-sel.
L'eutexie du mélange glace /chlorure de sodium a pour données -22,4°C pour 23,1% de sel, c'est donc la température minimale possible obtenu par les proportions de ce mélange (voir ci-dessous).

Comme on peut le constater, s'il y a moins de sel (par exemple le point N), la température atteint est inférieure au seuil de -22.4°C : le mélange est saturée en glace. Et s'il y a beaucoup de sel (par exemple le point M), on obtient une solution saturée en sel et la température restera au-dessus du minima.

 (suite : Formes de glace )

A noter : Rappel de quelques lois de la cristallographie :
Loi de la constance des angles de Sténon et Romé de Lisle. « Dans une même espèce cristalline, l'angle dièdre de faces correspondantes est constant. » De cette façon, un monocristal croissant formera toujours un polyèdre convexe limité par des faces planes, c'est-à-dire que dans des conditions optimales, il ne se formera jamais aucune forme arrondie dans un cristal, de même que les faces du cristal sont parallèles 2 à 2 avec celles du cristal originel.
Loi de stratification multiple d'Haüy. « Un cristal d'une même espèce est constitué, quel que soit son faciès, par la juxtaposition de parallélépipèdes élémentaires, tous identiques entre eux et caractéristiques de l'espèce. »
Loi de Curie. « Un corps tend à prendre la forme qui présente une énergie superficielle minimum compatible avec les forces d'orientation. Ce minimum d'énergie potentielle de surface introduit comme solution pour un volume donné celle qui fournit la surface minimum compatible avec les liaisons. » Ce principe de minimisation de l'énergie pour tendre vers une position d'équilibre est universel. Il est également applicable à la situation des atomes, ions et molécules au sein même du cristal, en particulier pour l'énergie réticulaire de cohésion du cristal.

Pour la glace d'eau, il se forme autour des germes des cristaux prismatiques hexagonaux. Les cristaux plus compliqués sont issus de l'évolution de ces cristaux simples, d'où une symétrie hexagonale. Les angles du cristal de départ donnent naissance à des branches. La formation de cristaux dendritiques est alors favorisée. Le cristal initial de glace est de forme vaguement sphérique même si sa surface est très irrégulière à l'échelle moléculaire. La croissance réduit très rapidement cette rugosité, les molécules d'eau se fixant préférentiellement là où elles peuvent établir le plus de liaisons avec leurs semblables, donc dans les creux. Petit à petit, la croissance engendre des plans cristallins. Le cristal est un prisme hexagonal, dont les faces supérieure et inférieure sont des hexagones (angles de 120 et 60 degrés) et les faces des rectangles.
Trois modes de croissance dominent : les deux premiers sont commandés par la température. Selon la valeur de celle-ci, ce sont soit les faces hexagonales, soit les facettes latérales, qui « poussent » le plus vite. Entre -10 °C et -5 °C, les bases hexagonales se développent plus : à -6 °C par exemple, cette vitesse de croissance est le double de celles des facettes latérales et le flocon a alors l'aspect d'une colonne. Aux températures supérieures à -5 °C ou inférieures à -10 °C en revanche, les facettes croissent plus rapidement que les faces hexagonales : elles poussent par exemple de 0,5 millième de millimètre par seconde à -13 °C, soit quatre fois plus que ne le font les bases. Un flocon de neige qui reste à cette température pendant toute sa croissance prend la forme d'une plaquette hexagonale.

....................................(cristal de glace d'eau - Futura Scences).........................

Autres formes de glaces.
D’autres formes de glace peuvent être obtenues à la pression atmosphérique. Par exemple, si l’on projette de la vapeur d’eau sur une surface refroidie aux alentours de 77 K (soit –196°C), on obtient un solide qui ressemble à un liquide figé.
Un tel solide n’est donc pas cristallin : il est dit vitreux ou amorphe.
(qui n'est pas ordonnée à grande échelle et qui est donc désordonnée comme un liquide).
Cet amorphe est noté BD (basse densité); en effet il existe un autre amorphe de plus haute densité. Si l’on chauffe ensuite cet amorphe BD jusqu’à 150 K (-123°C), on obtient à nouveau un cristal, mais celui-ci est de structure cubique, notée Ic.
Ce n’est qu’à 200 K (-73°C) que l’on retrouve notre glace habituelle Ih.

Formation de la glace amorphe basse densité (BD) et de la glace cubique Ic à la pression atmosphérique :

Les transformations de la glace sous haute pression.
Le schéma simplifié ci-dessus se complique très fortement sous haute pression. Actuellement (2006), on dénombre plus de 14 formes cristallines de glace haute pression. Ces formes ont été progressivement découvertes par G. Tammann à partir de 1900 (solides qu’il a noté II et III) puis par P.W. Bridgman, de l’Université d’ Harvard, en 1912 d’abord (glaces V et VI), puis en 1937 (glace VII).
Contrairement aux deux glaces précédentes, tous ces cristaux sont plus denses que l’eau liquide correspondante : à l’équilibre eau-glace, ils chutent au fond des enceintes haute pression !
Dans la plupart de ces glaces, le désordre des atomes d’hydrogène est semblable à celui décrit pour la glace ordinaire Ih. Par contre, en abaissant leur température, on peut obtenir des solides haute pression complètement ordonnés, avec des sites fixes pour les atomes d’hydrogène.
NB : ces informations sont pertinentes pour la recherche spatiale et pour l’identification éventuelle de l’eau sur d’autres planètes.

Exemples de diagrammes pression/température :

(rappel : 1 MPa = 10⁶ Pa = 1000 kPa = 10 000 hPa = 10 bars = 9,8692 atm = 10,197 kgf/cm² = 101,97 mH2O)
[1 atm = 0,101325 MPa = 101 325 Pa)

Diagramme complet :


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Formation de la glace amorphe haute densité (HD) à partir de la compression à 1 GPa (1000 MPa) de la glace Ih (1000 MPa = 1 GPa = 1 milliard (10⁹) Pa = 10 000 bars) :

D’autres glaces formées sous haute pression peuvent aussi être détendues à pression atmosphérique, mais ceci doit toujours être fait à basse température.
Elles sont alors stables, ce qui permet de les étudier de manière approfondie à l’aide de diverses méthodes comme la diffraction X et la diffraction de neutrons.
Enfin, en comprimant très fortement la glace Ih (ou VI), on peut atteindre la situation où la distance oxygène-oxygène entre deux molécules d’eau voisines est approximativement égale à deux fois la longueur de la liaison de valence oxygène-hydrogène au sein d’une molécule d’eau. L’hydrogène est alors également partagé entre les oxygènes de deux molécules voisines. Cette situation commence à apparaître vers 60 GPa (60 000 Mpa), et elle est bien caractérisée vers 100 GPa (100 000 Mpa ou 1 000 000 bars).
Dans ce cas, on n’a plus de molécules H₂O. Le solide est devenu un oxyde d’hydrogène, au même titre que Cu₂O est un oxyde de cuivre. On a atteint la glace notée X dite symétrique, dont la structure, est dite (justement) cuprite.

Configuration de la glace X obtenue par compression de la glace Ih (ou VI) vers 100 GPa. [Structure cuprite Cu₂O] :

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Hydrogène et Oxygène >

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Dernières nouvelles du front glacé ! :

Depuis 1984, les physiciens avaient ainsi répertorié une douzaine de phases cristallines de la glace différentes. Une équipe canadienne avait observé, cette année-là, un comportement étrange de la glace. À une température très basse (–196°C) et à une pression plus de 10 000 fois supérieure à celle de l'atmosphère, elle peut se transformer en une curieuse substance dans laquelle les molécules ne sont plus ordonnées comme dans un cristal mais disposées au hasard (dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque apparent, sinon de causes, au moins de...) comme dans un verre ou un liquide !
Comment ce "verre d'eau" a-t-il pu être créé ? C'est à ce mystère vieux de vingt ans qu'ont voulu répondre Stefan Klotz et ses collègues. En étudiant, à l'aide d'une technique dite "de diffusion inélastique des neutrons" (à une température de – 130 °C et une pression 5 000 fois supérieure à celle de l'atmosphère), le passage de l'état "cristallin" à l'état "amorphe", ces physiciens ont établi qu'au niveau moléculaire, cette transformation ne pouvait être assimilée à une sorte de "fusion à froid", comme celle en jeu lorsque, par exemple, la glace devient liquide (en physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide).
Selon ces chercheurs, si la glace devient un solide amorphe, c'est qu'à ces températures et à ces pressions extrêmes, le cristal est "mécaniquement" instable et s'effondre sur lui-même, non sous l'effet de l'agitation moléculaire mais par l'écroulement des forces élastiques assurant sa cohésion. Ne pouvant plus se réorganiser en un nouveau type de cristal, l'eau n'aurait alors plus le choix que de se "figer" en l'état à la manière d'un verre. Faute de mieux, en quelque sorte...

En 2006, dans un laboratoire de l'université d'Oxford (GB), l'équipe de Christophe Salzmann (P. G. Radaelli, A. Hallbrucker, E. Mayer and J. L. Finney) a découvert deux nouvelles formes de glaces cristallisées : XIII et XIV. Obtenues à -143 et -155°C, P = 0,5 et 1,2 GPa, et avec un acide (HCl) servant d'accélérateur-catalyseur du processus de cristallisation.

En 2014, des chercheurs ayant utilisé les faisceaux de neutrons disponibles à l’Institut Laue-Langevin (ILL) ont de publié dans Nature, les résultats de leurs travaux sur un nouveau type qui est la moins dense de toutes les formes de glaces connues. Il s’agit de la glace XVI. Les chercheurs ont de bonnes raisons de penser que la structure de la glace XVI est représentative de celle des clathrates (du grec klathron qui signifie fermeture). L’intérêt de ces travaux vient donc de ce qu’il concerne directement les propriétés des clathrates à base de molécules d’eau. Il s’agit de composés possédant une structure cristalline et formant des sortes de cages moléculaires enfermant d’autres molécules ou des atomes. Son étude a donc le potentiel de livrer certains secrets de la physique et de la chimie des clathrates précieux aussi bien pour protéger la planète que pour les exploiter comme source d’énergie. Mais encore fallait-il créer cette glace qui s’apparente à ce que l’on peut appeler un clathrate vide. Pour ce faire, les physiciens et les chimistes en ont synthétisé rempli de molécules de néon (formées de petits atomes, elles permettent de vider le clathrate sans compromettre sa fragile structure), qu’ils ont ensuite extrait en plaçant le clathrate dans un vide à une température avoisinant 140 K. Les faisceaux de neutrons disponibles à l’ILL ont été diffractés par le matériau au cours de sa formation, ce qui a permis de s’assurer que l’on obtenait bien un clathrate et de recueillir des renseignements sur sa structure.
Le clathrate le plus connu est l’hydrate de méthane. Il défraye régulièrement la chronique, car ceux qui sont présents dans le permafrost et dans de vastes couches sédimentaires à des centaines de mètres au fond des océans sont potentiellement instables et risque de libérer d’immense quantité de méthane (lien interne sur ce gaz) dans l’atmosphère à cause du réchauffement climatique. Or ce gaz qui constitue aussi une source d’énergie est un gaz à effet de serre particulièrement puissant. On étudie donc les gisements naturels considérables d’hydrate de méthane pour deux raisons contradictoires :

• ils constituent une menace pour la survie de l’humanité, car ils pourraient provoquer un emballement spectaculaire du réchauffement climatique,
• ils pourraient contribuer à résoudre le problème de l’énergie au XXIe siècle et donc, a contrario, assurer la survie de larges populations.
  

Selon Thomas Hansen, l’un des chercheurs impliqué dans les travaux sur la glace glace XVI : « Il faut savoir que l’on peut aussi former des clathrates avec du dioxyde de carbone, qui est stable dans les conditions des fonds océaniques. Cela signifie qu’il existe une possibilité d’extraire le méthane de son hydrate pour le transformer en énergie utile, en le remplaçant par le CO2. Autrement dit, on pourrait envoyer le CO2 au fond des océans pour prendre la place du méthane dans les clathrates. Un défi de taille, certes, et dont la faisabilité pose question, mais cela reste une possibilité fascinante qui vaut la peine d’être approfondie ».

En 2019, les chercheurs nous annoncent que grâce aux progrès de la technologie, notamment des lasers, il a été possible de vérifier l'existence d'une toute nouvelle phase de la glace prédite depuis 1988 grâce à des simulations numériques de dynamique moléculaire basées sur les équations de la mécanique quantique. Ce genre de simulation du comportement d'un grand nombre de molécules en interaction permet de faire des expériences virtuelles pour étudier le comportement de la matière dans des conditions qui sont difficiles voire impossibles à réaliser en laboratoire, ce qui est typiquement le cas des très hautes pressions.
En l'occurrence, ces simulations prédisaient même ce que l'on pourrait appeler un nouvel état de la matière, même si les termes de glace XVIII ou de glace superionique sont utilisés pour le désigner. Ainsi, notamment à des pressions de l'ordre de 100 à 400 gigapascals (1 à 4 millions de fois la pression atmosphérique de la Terre) et à des températures de 1.650 à 2.760 °C, l'eau liquide devait se changer en une structure où les atomes d'oxygène des molécules d'eau initiales occupent les sites d'une structure cristalline cubique, alors que des protons des atomes d'hydrogène pouvaient se déplacer comme les atomes d'un liquide à travers ce solide. Cette glace superionique devenait donc conductrice d'électricité.
Un article de Nature vient de clore le débat en montrant que la glace XVIII existe bel et bien. Les physiciens l'ont obtenue en comprimant de l'eau liquide entre deux diamants à l'aide d'ondes de choc produites par l'irradiation de ces diamants à l'aide de faisceaux laser. La technique est similaire à celle employée pour faire des expériences sur la fusion inertielle. En vaporisant la surface des diamants, on déclenche la libération d'un gaz de particules provoquant le mouvement des diamants dans la direction opposée en raison de la conservation de la quantité de mouvement. Une autre série de faisceaux laser est utilisée parallèlement pour vaporiser une lamelle de fer qui conduit à la formation d'un plasma émetteur de rayons X. Ces rayons X à leur tour sont diffractés par leur passage à travers la glace XVIII ce qui permet d'obtenir une tache de diffraction analysable selon les méthodes bien connues de la cristallographie avec des rayons X.

En 2022, des chercheurs (Université du Nevada à Las Vegas, États-Unis) ont placé un échantillon d'eau au cœur d'une cellule à enclumes de diamant. L'eau a ainsi été pressée par à-coup jusqu'à des pressions comme celles qui règnent au centre de notre Terre. Par à-coup parce que les physiciens ont régulièrement mis le processus en pause pour réchauffer l'ensemble au laser. Ainsi, l'eau a gelé, puis les cristaux de glace ont fondu. Et il s'avère que l'opération a mené à la formation d'une variété d'arrangements des atomes d'oxygène (O) et d'hydrogène (H) qui composent l'eau. Les chercheurs ont observé d'abord la formation d'un type de glace connue, la glace VII, de structure cubique, mais aussi de glace X, ils s'y attendaient, mais à des pressions bien plus élevées -- de l'ordre du million d'atmosphères (contre « seulement » 300.000 ici). Et enfin, entre les deux, une forme glace de transition baptisée VIIt avec une structure tétragonale !

Nota : les astrophysiciens, en particulier, sont intéressés par ces nouveaux résultats démontrant l'existence de la glace superionique. Ils savent en effet que la majeure partie de l'eau dans le Système solaire doit se trouver sous forme de glace à l'intérieur des géantes que sont Uranus et Neptune.
D'importantes couches de glace solide mais néanmoins chaude devraient se trouver aussi dans les profondeurs des planètes océans. Chaude, quatre fois plus dense que la glace ordinaire, noire et conductrice de l'électricité comme le ferait un métal où le fluide d'électrons aurait été remplacé par un fluide de protons, la glace XVIII pourrait donc être la glace extraterrestre la plus répandue dans le royaume des exoplanètes.
On peut s'attendre à quelques surprises car la glace à l'intérieur de Neptune et Uranus n'est pas faite uniquement de molécules de H2O. Des molécules de méthane et d'ammoniac sont aussi présentes et il va falloir étudier la question de la formation d'une glace superionique avec elles...

Sources et liens :
- Futura Sciences - Planète,
- CNRS / Philippe PRUZAN (Laboratoire de physique des milieux condensés, Université Paris VI, lien),
et lien sur les structures eau/glace (en anglais)
- Généralités sur les Glaciers (pages internes, et UJF-Grenoble, lien)
- Physical Review Letters, 26 novembre 2004