On a résolu l'énigme du "verre d'eau"

L'eau a beau être abondante sur Terre, elle n'en conserve pas moins certains secrets. Des chercheurs français et allemands ont expliqué (1) pourquoi, sous certaines conditions, la molécule indispensable à la vie se transforme en un étrange solide ressemblant à du verre.

L'équipe de Stefan Klotz, chercheur au département des milieux denses de l'IMPMC (2) du CNRS à l'université Pierre et Marie Curie à Paris, affirme que cette drôle de substance dite "amorphe" est produite, lors d'un refroidissement, "par effondrement" de la glace hautement pressurisée !

Que l'eau nous apparaisse à l'état de vapeur, de liquide ou de glace est un fait bien connu. Que cette dernière soit cristalline est déjà beaucoup moins évident. Pourtant, les chercheurs savent depuis longtemps que les molécules d'H2O "gelées" sont disposées périodiquement dans les mailles d'un réseau cristallin dont les caractéristiques dépendent de la température et de la pression. En 1984, les physiciens avaient ainsi répertorié une douzaine de phases cristallines de la glace différentes !

Mais une découverte est venue bousculer leurs idées reçues: une équipe canadienne observe, cette année-là, un comportement étrange de la glace. À une température très basse (–196°C) et à une pression plus de 10 000 fois supérieure à celle de l'atmosphère, elle peut se transformer en une curieuse substance dans laquelle les molécules ne sont plus ordonnées comme dans un cristal mais disposées au hasard comme dans un verre ou un liquide !

Comment ce "verre d'eau" a-t-il pu être créé ? C'est à ce mystère vieux de vingt ans qu'ont voulu répondre Stefan Klotz et ses collègues. En étudiant, à l'aide d'une technique dite "de diffusion inélastique des neutrons" (à une température de – 130 °C et une pression 5 000 fois supérieure à celle de l'atmo­sphère), le passage de l'état "cristallin" à l'état "amorphe", ces physiciens ont établi qu'au niveau moléculaire, cette transformation ne pouvait être assimilée à une sorte de "fusion" à froid, comme celle en jeu lorsque, par exemple, la glace devient liquide.

Selon ces chercheurs, si la glace devient un solide amorphe, c'est qu'à ces températures et à ces pressions extrêmes, le cristal est "mécaniquement" instable et s'effondre sur lui-même, non sous l'effet de l'agitation moléculaire mais par l'écroulement des forces élastiques assurant sa cohésion. Ne pouvant plus se réorganiser en un nouveau type de cristal, l'eau n'aurait alors plus le choix que de se "figer" en l'état à la manière d'un verre. Faute de mieux, en quelque sorte...

(1) Physical Review Letters, 26 novembre 2004.
(2) Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés (CNRS / universités Paris-VI et VII / Institut de physique du globe de Paris).