Maria Rescigno1,2, Alberto Toffano3,4, Umbertoluca Ranieri1,5, Leon Andriambariarijaona1, Richard Gaal2, Stefan Klotz6, Michael Marek Koza7, Jacques Ollivier7, Fausto Martelli4,8, John Russo1, Francesco Sciortino1, Jose Teixeira9 and Livia Eleonora Bove1,2,6
1 Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italy
2 Laboratory of Quantum Magnetism, Institute of Physics, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Lausanne, Switzerland
3 School of Mathematics, University of Bristol, Bristol, United Kingdom
4 IBM Research Europe, Daresbury, United Kingdom
5 Centre for Science at Extreme Conditions and School of Physics and Astronomy, University of Edinburgh, Edinburgh, United Kingdom
6 Institut de Minéralogie, de Physique des Matériaux et de Cosmochimie (IMPMC), CNRS UMR7590, Sorbonne Université, Paris, France
7 Institut Laue Langevin (ILL), Grenoble, Cedex 9, France
8 Department of Chemical Engineering, The University of Manchester, Manchester, United Kingdom
9 Laboratoire Leon Brillouin, CNRS-CEA, Saclay, France
Lien vers la publication: Observation of Plastic Ice VII by Quasi-Elastic Neutron Scattering
Depuis des décennies, les scientifiques explorent les multiples phases de la glace sous conditions extrêmes. Une phase exotique, la glace VII plastique, avait été prédite par simulation il y a plus de quinze ans comme un état où les molécules d’eau restent organisées en un réseau cristallin dense tout en conservant une mobilité rotationnelle. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du CNRS vient de confirmer son existence grâce à des expériences de diffusion quasi-élastique de neutrons (QENS) en conditions extrêmes conduites à l’Institut Laue Langevin de Grenoble. Cette découverte éclaire le rôle crucial de la dynamique de l’hydrogène dans les transitions de phase de la glace à hautes pression et température et pourrait expliquer certaines différences dans l’évolution des lunes glacées du système solaire.
Une nouvelle phase révélée par les neutrons et les simulations.
Les chercheurs ont utilisé la diffusion quasi-élastique des neutrons pour sa capacité de mesurer la dynamique stochastique de l’hydrogène. Ils ont analysé les mouvements des molécules d’eau sous pression extrême, au-delà de 50 000 atmosphères et 500 K. Contrairement aux phases solides classiques, où les molécules restent figées et peuvent seulement vibrer autour des positions d’équilibre, la glace VII plastique se distingue par une dynamique rotationnelle persistante sur des temps très rapides, typiques de la dynamique d’un liquide, tout en conservant une structure cubique ordonnée. Les expériences ont été complétées par des mesures de diffraction de rayons X, et par des simulations de dynamique moléculaire et une analyse par chaîne de Markov, qui ont permis de décrypter le mécanisme sous-jacent à cette rotation moléculaire. Plutôt que de tourner librement, les molécules effectuent des sauts entre orientations préférentielles, un comportement rappelant la dynamique rotationnelle observée dans les liquides tétraédriques denses.
Un impact majeur pour la science planétaire
Au-delà de l’intérêt fondamental pour la physique de l’eau, cette découverte ouvre de nouvelles perspectives sur la structure et l’évolution des planètes riches en eau. Les propriétés mécaniques, thermiques et de conductivité ionique d’une phase plastique diffèrent radicalement de celles d’une glace classique, ce qui a des implications directes pour la modélisation des intérieurs planétaires. Par exemple, la présence de glace VII plastique dans Callisto pourrait expliquer pourquoi cette lune de Jupiter a évolué différemment de Ganymède, malgré des conditions initiales similaires. Plus largement, cette phase pourrait jouer un rôle clé dans la dynamique des planètes géantes glacées comme Uranus et Neptune ainsi que dans certains exoplanètes.
Vers une caractérisation complète de cette phase.
Bien que cette étude ait confirmé l’existence de la glace VII plastique, sa région de stabilité thermodynamique reste à préciser. De nouvelles expériences de diffraction de neutrons et de lumière sur synchrotron sont prévues pour mieux comprendre la portion du diagramme de phase occupé par la glace plastique et la nature de la transition entre la glace VII et la glace VII plastique. Le lien entre la phase plastique de la glace et la phase super ionique – une glace où les oxygènes forment un réseau ordonné mais où les protons peuvent diffuser comme dans un liquide- récemment découverte par des expériences de lumière de synchrotron, doit aussi être éclairci.
