Glace superionique
phase de l'eau
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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].
