Le clathrate hydrate d'ammoniac: une nouvelle phase solide à prendre en compte pour Titan et Encelade
Publié par Adrien le 11/04/2018 à 00:00
Source: CNRS-INSU
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...) pouvait être stable à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de...) (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 vie humaine. Avec les enjeux écologiques...) 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 extrêmement...), confirmant ainsi les résultats d'une étude expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et...), 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 (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière...) 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...) ; 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 (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) 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 (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.) essentielle pour comprendre l'origine des acides aminés, qui sont les briques élémentaires du vivant.

Dans le système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le Soleil et des corps célestes ou objets définis...), 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 de clathrates d'hydrates, formes très particulières de glace, dans lesquelles les molécules d'eau liées entre elles par des liaisons hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) 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 n'a pas de forme propre ni de volume...).

Ce résultat expérimental a pourtant fait débat (Un débat est une discussion (constructive) sur un sujet, précis ou de fond, annoncé à l'avance, à laquelle prennent part des individus ayant des avis, idées, réflexions ou opinions...) 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...) marqué, afin ne pas détruire le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit...) 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 haute et inversement. Chaque voyelle se...) 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 se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué...) 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 Perimeter Institute for Theoretical...) 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 données sous forme binaire,...) 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 (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de l'Univers et possédant une masse suffisante pour que sa gravité la maintienne en équilibre...).
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