Ch Assurez-vous de laisser un espace d’air lorsque vous placez une bouteille d’eau scellée au congélateur. Si vous ne tenez pas compte de cet avertissement, vous découvrirez la difficulté avec laquelle l’eau se dilate lorsqu’elle se solidifie et vous risquez de casser quelque chose au cours du processus. Cette expansion pourrait expliquer d’autres cas de destruction de routes et de bâtiments provoqués par la glace, ravagés par l’hiver. Mais en réalité, les trous et les fissures formés dans la glace sont le résultat du processus de croissance de la glace dont les déterminants sont encore mal compris. Robert Steele de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Suisse (Éthereum) à Zurich et ses collègues révèlent l’un de ces facteurs : la présence de canaux liquides dans la glace polycristalline. Cette découverte pourrait aider les scientifiques à développer des modèles précis des dommages causés aux infrastructures par le gel et aider les ingénieurs à développer des stratégies pour faire face à ce problème d’un milliard de dollars.
« Les canaux remplis d’eau non gelée qui croisent la glace polycristalline contribuent à alimenter la croissance de la glace, ce qui peut entraîner des fractures dans des matériaux comme l’asphalte et le ciment. »https://t.co/WhkgGe3Vz8@fyfluiddynamics
– Kam Young Soh (mstdn.io/@sohkamyung) (@sohkamyung) 17 novembre 2023
La plupart des liquides se contractent lorsqu’ils se solidifient. Cependant, l’eau constitue une rare exception. Lorsqu’il gèle, il se dilate d’environ 9 %. Mais ce processus de dilatation ne joue pratiquement aucun rôle dans la plupart des scénarios de dégâts dus au gel, par exemple lorsque la glace provoque des fissures dans les murs des bâtiments en brique ou des nids-de-poule sur les routes asphaltées. « On sait depuis longtemps que l’idée selon laquelle de tels dégâts seraient le résultat de l’expansion de l’eau est fausse.dit Steele.
Lors d’expériences sur le sol, les chercheurs ont montré que le benzène, un liquide qui se contracte lorsqu’il gèle, provoque des dommages similaires à ceux de l’eau gelée, ce qui suggère qu’un changement de volume de la transition de phase n’en est pas la cause. Le facteur principal semble plutôt être la capacité des liquides à geler…C’est nulPlus de liquide dans la zone congélateur.
Imaginez une paille remplie d’eau posée horizontalement sur une surface plane et exposée à des températures inférieures à zéro à une extrémité. Lorsque l’eau contenue dans l’extrémité gelée de la paille se transforme en glace, une pression négative se développe autour du matériau cristallisé. Cette pression négative provoque un processus d’aspiration qui déplace l’eau liquide vers la zone gelée. Cette eau absorbée gèle ensuite également et le processus se répète jusqu’à ce que le cylindre de glace gonflé devienne trop large pour tenir à l’intérieur de la paille, la faisant éclater. « Au-delà de l’expérience du monde »Ce processus peut se poursuivre très longtemps, endommageant divers matériaux et structuresa déclaré Sylvain Deville, un scientifique qui étudie différents matériaux à l’Université Lyon 1 en France. DeVille n’a pas été impliqué dans la nouvelle étude, mais il a conseillé les chercheurs lors de la construction du dispositif expérimental.
Les scientifiques ont mesuré le taux de cryoaspiration dans le sol et l’asphalte, mais l’opacité de ces matériaux a rendu impossible l’observation du processus au fur et à mesure qu’il se déroule. « Sans pouvoir constater directement ce qui se passait, nous ne pouvions que formuler des hypothèses.dit Steele.
Lui et ses collègues ont résolu le problème de l’opacité en produisant un simple matériau poreux à partir de deux feuilles de verre transparentes. Ces verres étaient séparés par des entretoises et leur intérieur était décoré avec un adhésif photopolymérisable pour créer un pore unique de quelques millimètres de long et de large. Ils ont recouvert l’intérieur du dessous des pores d’une fine couche de silicone, un matériau souple, et y ont ajouté des molécules fluorescentes. Ensuite, ils ont rempli les pores avec de l’eau propre. Ils ont refroidi une extrémité du pore tout en chauffant l’autre selon l’expérience avec la paille décrite ci-dessus.
L’équipe a suivi l’évolution de la forme de la couche de silicone en fonction du temps grâce à la microscopie confocale, un outil d’imagerie 3D qui utilise des marqueurs fluorescents pour imager des structures dans des matériaux transparents. Initialement, le silicium est resté inchangé. Mais une fois que toute l’eau à l’extrémité froide du pore s’est transformée en glace – dans ce cas, un long cristal de glace – l’équipe a observé le silicium commencer à se déformer. Cette déformation s’est poursuivie à mesure que la largeur du cristal de glace augmentait et qu’une forte pression était exercée sur la couche de silicium mou.
En zoomant sur l’interface silicium-glace, Steele et ses collègues ont observé une couche liquide de plusieurs nanomètres d’épaisseur entre la glace solide et le silicium mou, qui est la source de l’eau liquide nécessaire à l’expansion de la glace. « La neige n’aime pas entrer en contact avec la plupart des surfacesdit Steele. « Il existe donc un espace entre la glace et la plupart des surfaces à travers lequel l’eau peut s’écouler.«
En soi, l’écart observé dans les expériences sur les monocristaux était trop étroit pour fournir suffisamment d’eau pour la croissance de la glace au taux mesuré lors d’expériences précédentes sur le sol ou l’asphalte. « Le processus était incroyablement lentdit Steele. « Il a fallu cinq heures pour que la glace s’épaississe jusqu’à atteindre quelques micromètres.Mais ce taux a considérablement augmenté lorsque l’équipe a cultivé de la glace polycristalline, dont l’imagerie confocale a révélé qu’elle présentait de nombreuses voies supplémentaires permettant à l’eau liquide de pénétrer dans le système gelé. Entre chaque cristal de glace se trouvait une « veine » étroite, comme un vide rempli d’eau au-dessus du silicium, qui pouvait transporter l’eau. « Soudain, il y a tous ces canaux supplémentaires qui peuvent absorber l’eau et ainsi la glace pousse plus vite.dit Steele.
« Cette étude a présenté les résultats d’une série d’expériences soigneusement conçues qui démontrent la relation claire entre la polycristallinité de la glace et le taux d’aspiration cryogénique.» dit Déville. Il a ajouté que la glace contient généralement plusieurs cristaux, et cette étude montre que si les scientifiques veulent comprendre les mécanismes microscopiques à l’origine du comportement de l’eau gelée, ils doivent étudier des systèmes plus réalistes.
Les estimations finales des gains d’efficacité dépendront probablement de facteurs supplémentaires non étudiés actuellement, tels que la présence de substances dissoutes dans l’eau. « Cependant, l’importance des polycristaux dans les dégâts causés par la glace peut affecter, par exemple, la conception des matériaux utilisés dans la construction routière.dit Steele. De plus, dans les villes qui connaissent fréquemment des gelées soudaines, les autorités devront peut-être être plus vigilantes quant aux dégâts causés par la glace, car la glace qui se forme rapidement a tendance à contenir plus de cristaux. Alors, lorsque l’hiver arrive à l’improviste, méfiez-vous des nouvelles crevaisons.
