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Posté par Adrien le Mercredi 11/04/2018 à 00:00
Le clathrate hydrate d'ammoniac: une nouvelle phase solide à prendre en compte pour Titan et Encelade
En simulant sur ordinateur le piégeage de la molécule d'ammoniac dans des clathrates hydrates, une équipe de physiciens hongrois et d'astrophysiciens français de l'Institut UTINAM et du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, ont montré que le clathrate hydrate d'ammoniac (L’ammoniac est un composé chimique, de formule NH3 (groupe générique des nitrures d'hydrogène). C'est une molécule pyramidale à base trigonale : l'atome d'azote (N) est au sommet et...) pouvait être stable à basse température (jusqu'à 200 K) dans des conditions typiques de certains environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la...) planétaires ou du milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre les étoiles et leur environnement proche. Ce gaz est habituellement...), confirmant ainsi les résultats d'une étude expérimentale, pourtant contrintuitive, publiée quelques années auparavant dans la littérature.


Images d'un mélange eau+NH3 à 100 K pour deux teneurs différentes en NH3. Le cliché de gauche montre clairement la structure du clathrate hydrate d'ammoniac

La molécule d'ammoniac, NH3, est une molécule commune en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés...) ; elle est présente dans le milieu interstellaire, les comètes et les objets transneptuniens, ainsi que dans les atmosphères de Jupiter et Saturne. Elle est certainement la principale source de diazote (N2) dans l'atmosphère de Titan (Cliquez sur l'image pour une description). D'une manière plus générale, la présence simultanée d'ammoniac et d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) semble être une donnée essentielle pour comprendre l'origine des acides aminés, qui sont les briques élémentaires du vivant.

Dans le système solaire, la molécule NH3 aurait pu être préservée directement sous forme solide, dans des silicates d'ammonium ou encore dans de la glace (La glace est de l'eau à l'état solide.) d'eau, sous forme d'hydrates d'ammoniac. Mais des expériences récentesont montré qu'à basse température (typiquement en dessous de 200 K), NH3 pouvait aussi être piégée au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) de clathrates d'hydrates, formes très particulières de glace, dans lesquelles les molécules d'eau liées entre elles par des liaisons hydrogène constituent des cages stabilisées par l'incorporation de molécules de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière...).

Ce résultat expérimental a pourtant fait débat car NH3 était considérée jusqu'à présent comme un inhibiteur de la formation des clathrates ; il était de plus couramment admis que les molécules piégées dans les clathrates devaient nécessairement avoir un caractère hydrophobe (Un composé est dit hydrophobe (du grec υδρο, hydro = eau, et Φοβοσ, phóbos = peur) ou lipophile quand il est soluble dans les corps...) marqué, afin ne pas détruire le réseau des molécules d'eau formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de hauteur : plus la fréquence est élevée, plus la hauteur perçue est...) les cages.


(Clichés issus de simulations par la méthode de Monte Carlo dans l'ensemble grand canonique ; les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant...) O,N,H sont représentés par des sphères respectivement rouges, bleues et blanches). Crédits: Balazs Fabian, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) UTINAM

En simulant sur ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant d'exécuter des programmes enregistrés. C'est un ensemble de circuits électroniques permettant de manipuler des...) le piégeage de molécules NH3 dans un clathrate d'hydrate, des scientifiques viennent de confirmer l'existence possible du clathrate hydrate de NH3 dans une gamme de pressions et de températures bien déterminée, compatible avec certaines conditions extra-terrestres. Toutefois, au-delà d'une certaine pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de molécules de NH3 dans le système devient tellement important que la structure clathrate est détruite et se transforme en glace amorphe dans laquelle se retrouvent piégées les molécules d'ammoniac. Les calculs à l'échelle moléculaire mettent ainsi l'accent sur le rôle subtil que jouent les différentes conditions environnementales (pression, température, composition de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gaz) sur la stabilité du clathrate hydrate d'ammoniac.

Quoi qu'il en soit, en confirmant des résultats expérimentaux controversés, cette étude souligne le rôle que les clathrates hydrates d'ammoniac pourraient jouer dans la composition de certains objets du système solaire.

Comme le démontre les résultats de ces calculs, l'hypothèse de l'existence des clathrates d'ammoniac ne peut donc plus être d'emblée écartée des scénarios de formation du système solaire, ni dans la compréhension des mécanismes de formation des acides aminés dans les glaces du milieu interstellaire et des comètes, celles dont on pense aujourd'hui qu'elles auraient pu délivrer la vie (La vie est le nom donné :) sur notre planète.

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Source: CNRS-INSU