En créant de la glace à partir de gouttelettes microscopiques, des chercheurs ont abaissé le point de congélation de l’eau plus bas que jamais auparavant. Ces travaux pourraient un jour servir la science climatique comme celle des matériaux. Les détails de l’étude sont publiés dans Nature.
La transformation eau-glace de nanogouttelettes joue un rôle essentiel dans la nature, notamment dans le changement climatique, la microphysique des nuages, le mécanisme de survie des animaux dans des environnements froids, mais également dans un large éventail de technologies.
Dans la plupart de ces scénarios, la transformation se produit dans un mode hétérogène où les nanogouttelettes sont en contact avec un autre milieu. Toutefois, le sondage expérimental de cette transformation à l’échelle du nanomètre reste non résolu.
Une règle empirique nous dit que l’eau gèle à zéro degré Celsius, mais nous savons qu’elle peut en réalité rester sous forme liquide sur une plage de températures plus froides encore dans certaines conditions. Jusqu’à présent, nous pensions que cette plage s’arrêtait à -38 °C. Au-delà, l’eau devrait donc geler quoiqu’il arrive. Dans le cadre d’une étude, une équipe a pourtant battu ce record.
Des conditions particulières
Cette percée impliquait deux facteurs clés. Tout d’abord, les chercheurs devaient créer de minuscules gouttelettes allant de 150 nanomètres, à peine plus grosses qu’une particule de virus de la grippe, à environ deux nanomètres (qui concentre essentiellement 275 molécules d’eau). Cette gamme de différentes proportions a permis aux chercheurs d’appréhender le rôle de la taille de ces gouttelettes dans la transformation de l’eau en glace.
Le second facteur important était l’environnement dans lequel évoluaient ces gouttes. « Nous avons découvert que si les gouttelettes d’eau sont recouvertes de matériaux mous, la température de congélation peut être réduite encore davantage« , souligne Hadi Ghasemi, professeur de génie mécanique à l’Université de Houston.
Le matériau souple utilisé ici était l’octane, une sorte d’huile entourant chaque gouttelette dans les pores nanométriques d’une membrane en oxyde d’aluminium anodisé. Cette approche a permis aux gouttelettes de prendre une forme plus arrondie avec une pression plus élevée, ce qui est essentiel pour empêcher la formation de glace à ces basses températures selon les chercheurs.
-44°C, qui dit mieux ?
Afin d’observer cette phase de transition à une telle échelle, les chercheurs se sont appuyés sur des mesures de conductance électrique (la glace est plus conductrice que l’eau liquide) et la lumière émise dans le spectre infrarouge pour saisir le moment et la température exacts auxquels les gouttelettes se transformaient.
Ils ont alors découvert que plus la gouttelette était petite, plus elle devait être froide pour que la glace se forme. Dans les plus petites structures, le passage de l’état liquide à l’état solide se serait opéré à -44 °C. C’est un record. Quant à savoir si de telles conditions s’opèrent véritablement dans la nature ou à des échelles plus extrêmes encore, les chercheurs l’ignorent.
Toutefois, comme dit plus haut, savoir comment et pourquoi l’eau se transforme en glace sera essentiel pour comprendre un large éventail de processus naturels tels que les fluctuations climatiques, la dynamique des nuages et le cycle de l’eau. Nous pourrions aussi mieux appréhender les espèces évoluant dans des conditions de gel, mais aussi concevoir des matériaux empêchant la formation de glace.
