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Les scientifiques ont réussi à maintenir les gouttelettes d’eau sous forme liquide à -47,2 degrés Fahrenheit

Une nouvelle étude montre que le point de congélation final de l’eau vient de tomber.

Des scientifiques du Texas ont pu réduire la limite à laquelle l’eau (H2O) gèle à -47,2 °F (-44 °C), contre -36,4 °F (-38 °C).

Les experts ont fait leur record en utilisant des gouttelettes d’un diamètre d’environ 2 nanomètres seulement – environ un million de fois plus petites qu’un flocon de neige.

Leurs recherches sont importantes car le point de congélation de minuscules gouttelettes d’eau joue un rôle dans la survie des animaux dans des environnements froids, disent-ils.

Une goutte d’eau gelée à l’intérieur d’une cellule animale provoque la rupture et la mort de la cellule.

Comprendre les conditions qui conduisent à la formation de glace peut également aider la recherche en science planétaire, comme l’évaluation des conditions sur d’autres mondes.

Des chercheurs de l’Université de Houston signalent un déphasage de la glace d’eau jusqu’à 2 nanomètres (nm) de diamètre.

Les chercheurs ont mis des gouttelettes aussi petites que 2 nanomètres en contact avec des interfaces lisses, telles que des gels et des lipides.  Une illustration du document de recherche de l'équipe montre une nanoélectrode enfermée dans de l'huile où la nucléation de la glace - le processus principal qui se produit dans la formation de cristaux à partir d'une solution - se produit

Les chercheurs ont mis des gouttelettes aussi petites que 2 nanomètres en contact avec des interfaces lisses, telles que des gels et des lipides. Une illustration du document de recherche de l’équipe montre une nanoélectrode enfermée dans de l’huile où la nucléation de la glace – le processus principal qui se produit dans la formation de cristaux à partir d’une solution – se produit

A quoi ressemble la glace ?

L’eau est constituée de deux atomes d’hydrogène liés à un atome d’oxygène.

Cependant, en raison de la répartition inégale des électrons dans ces molécules, les atomes d’hydrogène prennent une faible charge positive tandis que les atomes d’oxygène prennent une charge négative.

Cette eau liquide lui confère bon nombre de ses propriétés inhabituelles, mais affecte également la structure cristalline qu’elle prend lorsqu’elle gèle.

Une fois que les températures chutent en dessous du point de congélation de l’eau, des charges électriques sur les molécules provoquent la formation d’une structure en réseau ouvert, c’est pourquoi l’eau se dilate lorsqu’elle gèle.

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Le glissement se produit lorsque la pression ou la friction fait fondre une fine couche de glace, réduisant ainsi la traction à la surface.

Auparavant, on savait qu’une goutte d’eau gèle à n’importe quelle température entre 32 °F et -36,4 °F (0 °C à -38 °C).

Selon les auteurs de l’étude, le gel en dessous de ce degré était jusqu’à présent inévitable à l’Université de Houston.

« La transformation de la glace d’eau de quelques gouttelettes à l’échelle nanométrique joue un rôle essentiel dans la nature, notamment le changement climatique, la microphysique des nuages, le mécanisme de survie des animaux dans les environnements froids et un large éventail de technologies », disent-ils.

Les résultats fournissent une compréhension de divers phénomènes naturels et ouvrent la voie à la conception de surfaces biomimétiques ultra-hautes antigel ou lisses remplies de fluide.

La transformation de l’eau en glace est l’un des plus grands mystères de la science, selon l’équipe, et comment et pourquoi cela se produit fait l’objet d’un examen minutieux.

L’eau a en fait des propriétés étranges – contrairement à d’autres liquides, elle devient moins dense lorsqu’elle gèle. C’est pourquoi les blocs de glace d’eau flottent sur l’eau liquide au lieu de couler au fond.

L’eau liquide se dilate lorsqu’elle commence à atteindre son point de congélation, ce qui fait que les lacs gèlent par le haut plutôt que par le bas.

Étonnamment, les plus petites nano-gouttelettes d’eau dans lesquelles la glace peut se former ne dépassent pas 90 molécules d’eau, soit un dixième de la taille du plus petit virus.

Pour en savoir plus sur la cristallisation de l’eau dans la glace au niveau moléculaire, l’équipe a placé des gouttelettes aussi petites que 2 nanomètres en contact avec des interfaces molles, telles que des gels et des lipides.

Ils ont découvert qu’ils étaient capables de maintenir de minuscules gouttelettes sous forme liquide jusqu’à -47,2 degrés Fahrenheit en entrant en contact avec des surfaces molles.

On pense que la suppression de la nucléation de la glace – le processus initial qui se produit dans la formation de cristaux à partir d’une solution – est due à la pression exercée sur les gouttelettes de l’interface molle.

« Nous avons découvert que si une goutte d’eau est en contact avec une interface molle, la température de congélation peut être bien inférieure à celle des surfaces dures », a déclaré l’auteur de l’étude, le professeur Hadi Ghasemi de l’Université de Houston.

« De plus, une goutte d’eau de quelques nanomètres peut éviter de geler à -44 degrés Celsius si elle entre en contact avec une interface souple. »

On sait déjà que le point de congélation de l’eau diminue pendant la pression, explique le Dr Christopher S. Baird de la West Texas A&M University, qui n’a pas participé à l’étude.

« Pour la plupart des liquides, presser l’eau augmente la température à laquelle le liquide gèle pour devenir un solide », a-t-il déclaré.

Chaque molécule d'eau contient deux atomes d'hydrogène (H) liés à un atome d'oxygène (O).

Chaque molécule d’eau contient deux atomes d’hydrogène (H) liés à un atome d’oxygène (O).

Un solide se forme lorsque les molécules lâches ondulées d’un liquide ralentissent suffisamment et se rapprochent suffisamment pour former des liaisons stables qui les maintiennent en place.

Lorsque nous pressurisons un liquide, nous forçons les molécules à se rapprocher les unes des autres. Ainsi, il peut former des liaisons stables et devenir solide même si la température est supérieure au point de congélation à la pression standard.

Cependant, l’eau est quelque peu unique. Les molécules d’eau diffusent lorsqu’elles se lient à une structure cristalline solide.

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« Cette action de diffusion des molécules d’eau pendant la congélation signifie également que la pression sur l’eau abaisse le point de congélation. »

La déformation de l’eau, comme la façon dont elle gèle, est la clé de nombreux processus naturels et technologiques.

L’équipe de l’Université de Houston affirme que la nouvelle étude pourrait également aider à prédire le climat, les conditions nuageuses, la cryoconservation des organes et les technologies exposées aux conditions de glace telles que les avions et les éoliennes.

Leur étude a été publiée dans Communication Nature.

Les scientifiques créent une mystérieuse phase d’eau – la « glace supersonique » – que l’on pense être partagée au sein de planètes gelées comme Uranus.

Les scientifiques ont créé une phase mystérieuse de l’eau – appelée « super glace » – en envoyant des rayons X à travers des diamants dans un laboratoire.

Des conditions extrêmes sont nécessaires pour produire de la glace super-ionique, parfois appelée « glace chaude », qui s’ajoute aux autres phases bien connues de l’eau – glace solide, eau liquide et gaz vapeur.

La glace super-ionisée est une forme cristalline spéciale, qui est à moitié solide et à moitié liquide – qui est électriquement conductrice.

La glace super-ionisée se forme à des températures et des pressions extrêmement élevées au centre de planètes telles que Neptune et Uranus dans le système solaire externe.  Dans l'image est un clip d'Uranus

La glace super-ionisée se forme à des températures et des pressions extrêmement élevées au centre de planètes telles que Neptune et Uranus dans le système solaire externe. Dans l’image est un clip d’Uranus

Formé à des températures et des pressions extrêmement élevées au centre de planètes telles que Neptune et Uranus dans le système solaire externe.

Les scientifiques pensent qu’en savoir plus sur les différentes phases de H2O – qui sont nombreuses – pourrait aider à trouver la vie sur d’autres planètes.

Lire la suite : Les scientifiques créent une phase mystérieuse de l’eau – « la glace supersonique »

Delphine Perrault

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