Des scientifiques élucident la structure cristalline de la glace exotique XIX – Technoguide

Il y a trois ans, les chimistes ont trouvé des preuves de l’existence d’une nouvelle variété de glace. Jusque-là, 18 types de glace cristalline étaient connus. L’équipe rend maintenant compte de l’élucidation de la structure cristalline de la glace XIX à l’aide de la diffraction neutronique.

La glace est un matériau très polyvalent. Dans les flocons de neige ou les glaçons, les atomes d’oxygène sont disposés de manière hexagonale. Cette forme de glace est appelée glace un (glace I). “Mais à proprement parler, ce ne sont pas en fait des cristaux parfaits, mais des systèmes désordonnés dans lesquels les molécules d’eau sont orientées au hasard dans différentes directions spatiales”, explique Thomas Loerting de l’Institut de chimie physique de l’Université d’Innsbruck, en Autriche. Y compris la glace I, 18 formes cristallines de glace étaient connues à ce jour, qui diffèrent par la disposition de leurs atomes. Les différents types de glace, appelés polymorphes, se forment en fonction de la pression et de la température et ont des propriétés très différentes. Par exemple, leurs points de fusion diffèrent de plusieurs centaines de degrés Celsius. «C’est comparable au diamant et au graphite, tous deux composés de carbone pur», explique le chimiste.

Variété glacée

Lorsque la glace I conventionnelle est fortement refroidie, les atomes d’hydrogène peuvent se disposer périodiquement en plus des atomes d’oxygène si l’expérience est menée correctement. En dessous de moins 200 degrés Celsius, cela peut conduire à la formation de ce qu’on appelle la glace XI, dans laquelle toutes les molécules d’eau sont ordonnées selon un modèle spécifique. Ces formes de glace ordonnées diffèrent des formes parentales désordonnées, en particulier par leurs propriétés électriques. Dans les travaux actuels, les chimistes d’Innsbruck s’occupent de la forme mère de la glace VI, qui se forme à haute pression, par exemple dans le manteau terrestre. Comme la glace hexagonale, cette forme de glace à haute pression n’est pas un cristal complètement ordonné. Il y a plus de 10 ans, des chercheurs de l’Université d’Innsbruck ont ​​produit une variante commandée par l’hydrogène de cette glace, qui a trouvé son chemin dans les manuels sous le nom de ice XV. En modifiant le processus de fabrication, il y a trois ans, l’équipe de Thomas Loerting a réussi pour la première fois à créer un deuxième formulaire commandé pour ice VI. Pour ce faire, les scientifiques ont considérablement ralenti le processus de refroidissement et augmenté la pression à environ 20 kbar. Cela leur a permis de disposer les atomes d’hydrogène d’une seconde manière dans le réseau d’oxygène et de produire de la glace XIX. “Nous avons trouvé des preuves claires à ce moment-là qu’il s’agit d’une nouvelle variante ordonnée, mais nous n’avons pas été en mesure d’élucider la structure cristalline.” Maintenant, son équipe a réussi à faire exactement cela en utilisant l’étalon-or pour la détermination de la structure – la diffraction neutronique.

Structure cristalline résolue

Pour la clarification de la structure cristalline, un obstacle technique essentiel a dû être surmonté. Dans une étude utilisant la diffraction neutronique, il est nécessaire de remplacer l’hydrogène léger dans l’eau par du deutérium («hydrogène lourd»). «Malheureusement, cela modifie également les délais de commande dans le processus de fabrication de la glace», déclare Loerting. “Mais Tobias Gasser, étudiant au doctorat, a alors eu l’idée cruciale d’ajouter quelques pour cent d’eau normale à l’eau lourde – ce qui s’est avéré accélérer considérablement la commande.” Grâce à la glace ainsi obtenue, les scientifiques d’Innsbruck ont ​​finalement pu mesurer les données neutroniques sur l’instrument HRPD haute résolution du laboratoire Rutherford Appleton en Angleterre et résoudre minutieusement la structure cristalline de la glace XIX. Cela nécessitait de trouver la meilleure structure cristalline parmi plusieurs milliers de candidats à partir des données mesurées – un peu comme chercher une aiguille dans une botte de foin. Un groupe de recherche japonais a confirmé le résultat d’Innsbruck dans une autre expérience dans des conditions de pression différentes. Les deux articles ont maintenant été publiés conjointement dans Nature Communications.

Six formes de glace découvertes à Innsbruck

Alors que la glace et la neige conventionnelles sont abondantes sur Terre, aucune autre forme ne se trouve à la surface de notre planète – sauf dans les laboratoires de recherche. Cependant, les formes à haute pression glace VI et glace VII se retrouvent sous forme d’inclusions dans les diamants et ont donc été ajoutées à la liste des minéraux par l’Association minéralogique internationale (IMA). De nombreuses variétés de glace d’eau se forment dans l’immensité de l’espace dans des conditions de pression et de température particulières. On les trouve, par exemple, sur des corps célestes tels que la lune de Jupiter Ganymède, qui est recouverte par des couches de différentes variétés de glace.

La glace XV et la glace XIX représentent la première paire de frères et sœurs en physique de la glace dans laquelle le réseau d’oxygène est le même, mais le modèle de classement des atomes d’hydrogène est différent. “Cela signifie également que, pour la première fois, il sera désormais possible de réaliser la transition entre deux formes de glace ordonnées dans des expériences”, se réjouit Thomas Loerting. Depuis les années 1980, des chercheurs de l’Université d’Innsbruck, en Autriche, sont désormais responsables de la découverte de quatre formes de glace cristalline ainsi que de deux formes de glace amorphe.

Les travaux de recherche en cours ont été menés dans le cadre de la plate-forme de recherche sur les matériaux et les nanosciences de l’Université d’Innsbruck et ont été soutenus financièrement par le Fonds scientifique autrichien FWF.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Université d’Innsbruck. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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