Eau superionique - Superionic water
L'eau superionique , également appelée glace superionique ou glace XVIII, est une phase d' eau qui existe à des températures et des pressions extrêmement élevées . Dans l'eau superionique, les molécules d'eau se séparent et les ions oxygène cristallisent en un réseau régulièrement espacé tandis que les ions hydrogène flottent librement dans le réseau oxygène. Les ions hydrogène librement mobiles rendent l'eau superionique presque aussi conductrice que les métaux typiques, ce qui en fait un conducteur superionique . C'est l'une des 19 phases cristallines connues de la glace . L'eau superionique est distincte de l' eau ionique , qui est un état liquide hypothétique caractérisé par une soupe désordonnée d'ions hydrogène et oxygène.
Bien que théorisé pendant des décennies, ce n'est que dans les années 1990 que les premières preuves expérimentales ont émergé pour l'eau superionique. Les premières preuves provenaient de mesures optiques d'eau chauffée au laser dans une cellule à enclume de diamant et de mesures optiques d'eau choquée par des lasers extrêmement puissants. La première preuve définitive de la structure cristalline du réseau d'oxygène dans l'eau superionique provient de mesures aux rayons X sur de l'eau choquée par laser qui ont été rapportées en 2019.
Si elle était présente à la surface de la Terre , la glace superionique se décompresserait rapidement . En mai 2019, des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont réussi à synthétiser de la glace superionique, confirmant qu'elle était presque quatre fois plus dense que la glace normale. L'eau superionique est théorisée comme étant présente dans les manteaux de planètes géantes telles qu'Uranus et Neptune.
Propriétés
À partir de 2013, il est théorisé que la glace superionique peut posséder deux structures cristallines. À des pressions supérieures à 50 GPa (7 300 000 psi), il est prédit que la glace superionique prendrait une structure cubique centrée sur le corps . Cependant, à des pressions supérieures à 100 GPa (15 000 000 psi), il est prévu que la structure se déplacerait vers un réseau cubique à faces centrées plus stable .
Histoire des preuves théoriques et expérimentales
Demontis et al. a fait la première prédiction pour l'eau superionique en utilisant des simulations classiques de dynamique moléculaire en 1988. En 1999, Cavazzoni et al. prédit qu'un tel état existerait pour l' ammoniac et l' eau dans des conditions telles que celles existant sur Uranus et Neptune . En 2005, Laurence Fried a dirigé une équipe du Lawrence Livermore National Laboratory pour recréer les conditions de formation de l'eau superionique. En utilisant une technique consistant à briser des molécules d'eau entre des diamants et à les surchauffer avec des lasers, ils ont observé des décalages de fréquence qui indiquaient qu'une transition de phase avait eu lieu. L'équipe a également créé des modèles informatiques qui ont indiqué qu'ils avaient effectivement créé de l'eau superionique. En 2013, Hugh F. Wilson, Michael L. Wong et Burkhard Militzer de l'Université de Californie à Berkeley ont publié un article prédisant la structure de réseau cubique à faces centrées qui émergerait à des pressions plus élevées.
Des preuves expérimentales supplémentaires ont été trouvées par Marius Millot et ses collègues en 2018 en induisant une pression élevée sur l'eau entre les diamants, puis en choquant l'eau à l'aide d'une impulsion laser.
Expériences 2018-2019
En 2018, des chercheurs du LLNL ont pressé de l'eau entre deux morceaux de diamant avec une pression de 2 500 MPa (360 000 psi). L'eau a été pressée dans de la glace de type VII , qui est 60 pour cent plus dense que l'eau normale.
La glace comprimée a ensuite été transportée à l' Université de Rochester où elle a été soufflée par une impulsion de lumière laser. La réaction a créé des conditions comme celles à l'intérieur de géantes de glace comme Uranus et Neptune en chauffant la glace à des milliers de degrés sous une pression un million de fois supérieure à celle de l'atmosphère terrestre en seulement dix à 20 milliardièmes de seconde. L'expérience a conclu que le courant dans l'eau conductrice était en effet transporté par des ions plutôt que par des électrons et a donc indiqué que l'eau était superionique. Des expériences plus récentes de la même équipe du Lawrence Livermore National Laboratory ont utilisé la cristallographie aux rayons X sur des gouttelettes d'eau choquées au laser pour déterminer que les ions oxygène entrent dans une phase cubique centrée sur le visage, qui a été surnommée glace XVIII et rapportée dans la revue Nature en mai. 2019.
Existence dans les géants de glace
Il est théorisé que les planètes géantes de glace Uranus et Neptune contiennent une couche d'eau superionique. Mais il existe également des études qui suggèrent que d'autres éléments présents à l'intérieur de ces planètes, en particulier le carbone , peuvent empêcher la formation d'eau superionique.