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Le cinquième état de la matière confirmé

Inés Urdaneta

L'élément Eau

Nous sommes familiarisés avec les quatre états de la matière reconnus jusqu’ici : solide, liquide, gaz et plasma. Qui aurait imaginé un cinquième état de la matière, contenant simultanément deux états ? Dans la diversité des formes ou phases de cristallisation de l’eau, de la glace liquide à la glace solide (plus de dix-sept structures cristallines et plusieurs glaces amorphes), une nouvelle est apparue : le cristal d’oxygène ionique avec, l’hydrogène ionique (principalement des protons) se déplaçant à l’intérieur, comme un fluide . Elle a été nommée glace XVIII , et c’est à la fois une nouvelle phase de l’eau (car elle dépend de la température et de la pression appliquées) et un nouvel état de la matière (car elle rassemble à la fois un solide et un fluide).

Les cristaux sont formés par des atomes ionisés, de sorte que les forces électrostatiques entre les cations et les ions maintiennent le réseau solide. Le cristal de sel commun ayant des anions de chlore (Cl-) et des cations de sodium (Na+), est à l’état solide à température ambiante, mais le cristal superionique d’eau synthétisé récemment nécessite une pression et une température extrêmement élevées pour se former, car il doit d’abord ioniser ses atomes, brisant les molécules d’eau.

Dans toutes les autres formes de cristallisation de l’eau glacée, les molécules restent ; la glace se forme précisément à cause des températures froides qui gèlent le système. Mais dans ces expériences superioniques, une température élevée (supérieure à 2000 kelvins) freine les molécules d’eau, et une pression élevée (supérieure à 100 gigapascals) densifie le système.

On se demande quel scénario naturel pourrait accueillir une telle extravagance. Apparemment, un scénario parfait pour cela peut être trouvé dans les géants de glace comme Uranus et Neptune, qui sont composés principalement d’eau glacée (au moins 65%). En fait, la glace superionique à des pressions et des températures extrêmes est pertinente comme explication de leur noyau, où de telles conditions extrêmes sont attendues. Leurs noyaux doivent avoir une particularité, étant donné les champs magnétiques exotiques émanant de ces Géantes de Glace, par rapport aux planètes restantes des systèmes solaires qui ont un champ magnétique à peu près aligné avec l’axe de rotation et avec une forme plus simple suggérant un fluide conducteur région du noyau qui tourbillonne, permettant l’émanation de champs magnétiques massifs.

Les champs magnétiques de Neptuno et d’Uranus se comportent différemment, et cela pourrait s’expliquer si le fluide conducteur responsable de “l’effet dynamo” était confiné dans une fine coque externe de la planète, au lieu de le laisser pénétrer dans le noyau. Le comportement exotique du champ magnétique pourrait être expliqué avec ce nouvel état de la matière.

« Cette glace superionique suggérée conduirait l’électricité, comme un métal, les hydrogènes jouant le rôle habituel des électrons. Contrairement à la glace familière que l’on trouve dans votre congélateur ou au pôle nord, la glace superionique est noire et chaude. Un cube de celui-ci pèserait quatre fois plus qu’un cube normal.  Quanta Magazine

D’autre part, nous avons été habitués à comprendre la conductivité des particules chargées élémentaires telles que les électrons qui composent le courant électronique. Qui aurait deviné un courant de protons, qui ne sont pas considérés comme des particules élémentaires en raison de leur structure interne supplémentaire ? Bien que ce comportement exotique de l’eau était attendu des simulations numériques il y a plus de trente ans, le fait de l’observer pour la première fois est époustouflant, surtout si l’on considère la quantité d’approximations impliquées dans le modèle, car la complexité du système empêchait l’exactitude quantique calculs chimiques.

Les auteurs de cet ouvrage publié dans Nature résument dans leur résumé l’expérience :

« La prédiction selon laquelle H 2 O devient superionique – avec des protons de type liquide se diffusant à travers le réseau solide d’oxygène – est particulièrement intrigante lorsqu’il est soumis à des pressions extrêmes et à des températures élevées. Des simulations numériques suggèrent que la diffusion caractéristique des protons à travers les sites vides du réseau solide d’oxygène

  • Donne lieu à une conductivité ionique étonnamment élevée supérieure à 100 Siemens par centimètre, c’est-à-dire presque aussi élevée que la conductivité métallique (électronique) typique,
  • Augmente considérablement la température de fusion de la glace à plusieurs milliers de kelvins, et favorise de nouvelles structures de glace avec un réseau d’oxygène compact.