L’eau n’est plus seulement solide, liquide ou gazeuse : elle est aussi superionique !

La Terre n’a pas démérité son surnom de Planète Bleue : recouverte à 70 % d’eau, elle regorge de mers, de glaciers et de nuages. Les scientifiques pensaient que cet élément nécessaire à l’apparition de la vie ne pouvait se manifester que sous forme liquide, solide ou gazeuse. Mais une équipe de chercheurs américains a découvert l’existence d’un quatrième état : l’eau superionique.

Lire aussi Pour la première fois, des physiciens imagent des cristaux moléculaires de Wigner

 

Une prédiction devenue réalité

En 1988, plusieurs scientifiques pensaient que l’eau pouvait – potentiellement – atteindre un quatrième état lorsqu’elle était soumise à une forte pression, et une température de plusieurs milliers de degrés Celsius. Une hypothèse rendue crédible par la conduite de simulations numériques au cours de l’année 1999. Dix-neuf ans plus tard, une équipe de chercheurs américains confirmait l’existence de cette eau superionique au moyen d’une expérience inédite.

Lire aussi Une expérience du chat quantique établit un nouveau record de 1 400 secondes

À mi-chemin entre l’état liquide et l’état solide, l’eau superionique ne peut être obtenue qu’au moyen d’une pression démentielle de 190 Gigapascal – 2 millions de fois la pression atmosphérique – et d’une température tout aussi dantesque de 5000 Kelvin soit 4726,85 °C. Le rapport des scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de l’Université de Rochester (UR) paru dans la revue Nature Physics précise que l’eau superionique est introuvable à l’état naturel sur la surface de la Terre. Elle pourrait en revanche constituer une partie des manteaux de Neptune et Uranus, deux planètes géantes encore mal connues des scientifiques.

 

Lire aussi Des scientifiques révèlent ce qui se passe exactement lorsqu’un atome se sépare en deux

Une expérience furtive

Les simulations numériques de l’époque avaient beau soutenir l’hypothèse d’un quatrième état de l’eau, la technologie de 1999 ne permettait pas de confirmer la théorie par la pratique. L’expérience en laboratoire étant inenvisageable, la question de l’eau superionique est restée en suspens jusqu’à ce que les scientifiques du LLNL et de l’UR reprennent les recherches en 2014. Il ne leur aura fallu que quatre ans pour démontrer l’existence de l’eau superionique.

Pour les besoins de l’expérience, les chercheurs ont utilisé la cellule à enclumes de diamant. Très utile dès lors qu’on souhaite augmenter la pression jusqu’à 2,5 Gigapascal, cette technique consistant à comprimer un échantillon d’eau entre deux enclumes de diamant permet de créer une glace d’eau bien particulière : la glace VII, 60 % plus dense que la glace ordinaire. Cette glace d’eau a ensuite été bombardée de rayons laser et le temps d’une fraction de seconde, alors que la température atteignait les 5000 K et que la pression avoisinait les 190 Gigapascal, l’eau contenue dans l’échantillon s’est transformée en eau superionique avant de littéralement fondre quelques nanosecondes plus tard.

Lire aussi Des scientifiques parviennent à générer des ondes sonores qui se déplacent dans une seule direction

 

D’étonnantes applications

Lorsqu’elle est soumise à des conditions aussi extrêmes, l’eau change complètement pour atteindre un état hybride : mi-liquide et mi-solide. Répertoriée dans le tableau périodique sous la forme H2O, l’eau est composée de deux atomes d’hydrogène (H) liés à un atome d’oxygène (O2). Lorsqu’elle se retrouve exposée à une chaleur trop importante, ses liaisons entre H et O2 s’affaiblissent au sein de ses molécules, alors que la haute pression maintient la solidité des atomes d’O2 en un alignement cristallin. Résultat : les ions d’H circulent librement, pareils à un liquide dans le réseau d’O2.

La particularité – et l’intérêt – de l’eau superionique réside sans sa conductivité. À l’inverse d’un métal, qui conduit l’électricité au moyen d’électrons, l’eau superionique utilise ses ions d’hydrogène, qui ne sont rien moins que des protons, pour propager l’électricité. La technique d’obtention de l’eau superionique étant pour le moment trop contraignante, il n’est pas encore possible d’utiliser le quatrième état de l’eau pour la confection de batteries électroniques. Mais vu la vitesse des progrès technologiques, tout est permis.

Lire aussi Après 50 ans, l’effet Zel’dovich expérimentalement prouvé avec des ondes électromagnétiques

 

Une utilité pour l’astronomie  

Les planétologues sont convaincus de la présence d’eau superionique dans les manteaux de glace d’Uranus et de Neptune. Les scientifiques voient dans la concentration de cette glace superionique une probable explication aux champs magnétiques propres à ces planètes et relativement inhabituels; à tel point que la Nasa songe réitérer les exploits des sondes Cassini et Juno en expédiant un appareil destiné à récolter davantage d’informations sur ces planètes géantes de glace.

Lire aussi Des physiciens observent la lumière quitter un nuage d’atomes avant même d’y pénétrer

Des scientifiques américains ont réussi l’exploit de récréer en laboratoire un état de l’eau absolument introuvable sur notre planète. Un tour de force qui ne fait que confirmer la fiabilité des simulations numériques survenues 19 ans plus tôt. L’auteur principal Marcus Millot insiste : « Notre travail fournit une preuve expérimentale de l’existence de l’eau superionique et montre que ces prédictions n’étaient pas dues à des artefacts dans les simulations. »