74 963 Types de glace

La glace n'est pas aussi simple qu'elle ne le semble, avec au moins 20 formes connues et potentiellement des milliers d'autres. Le type le plus familier est la glace Ih, qui a une structure moléculaire hexagonale et se trouve dans la biosphère. D'autres formes de glace, telles que la glace III, V, VI et VII, peuvent être trouvées dans des conditions extrêmes sur les lunes glacées de notre système solaire, voire piégées dans des diamants profondément enfouis dans la croûte terrestre. La glace peut être désordonnée en hydrogène ou ordonnée en hydrogène selon l'orientation des molécules d'eau dans le cristal de glace. Avec la découverte de plus en plus de types de glace, tels que la glace XIX et la glace XX, notre compréhension de la glace et de ses différentes structures évolue continuellement.

La glace est une substance complexe avec au moins 20 formes connues et peut-être des milliers d'autres. Trouvée dans divers environnements, des lunes glacées à la croûte terrestre, la glace peut être désordonnée en hydrogène ou ordonnée en hydrogène. Avec la découverte de nouvelles formes comme la glace XIX et la glace XX, notre compréhension de la glace continue de croître.

Il existe entre 20 et 74 963 formes de glace car l'eau peut faire toutes sortes de choses étranges lorsqu'elle gèle. Jusqu'à présent, les scientifiques ont déterminé expérimentalement les structures cristallines de 19 types de glace. Ou peut-être 20, selon qui vous demandez. Dans cette vidéo, nous allons passer en revue autant que possible en environ 10 minutes.

Transcription vidéo :

Je veux juste parler de glace.

Les propriétés étranges de l'eau, grâce à nos liaisons hydrogène préférées qui font que la glace est moins dense que l'eau liquide, sont la clé de la vie sur Terre.

Mais la glace elle-même est assez ennuyeuse.

Elle a quelques hexagones ordonnés. La configuration solide est moins dense que la forme liquide, rend notre thé glacé agréablement froid et forme de jolis flocons de neige, mais c'est à peu près tout, non ?

Non, faux. La glace est fascinante.

Je vais vous le prouver.

La glace est incroyable.

(musique entraînante)

Nous parlons de glace.

Cette livraison est-elle trop étrange ou pas assez ? Personne ne sait.

Non seulement la glace est fascinante, mais tout ce que je viens de mentionner est ici.

C'est la glace I, mais il y a aussi toutes ces autres sortes de glace plus d'autres qui ne peuvent même pas être représentées ici.

Nous ne savons même pas combien de types de glace il y a. Nous en avons trouvé environ 20 jusqu'à présent, mais il pourrait y en avoir jusqu'à 74 963.

Donc c'est quelque part entre 20 et 74 963.

Chacun a sa propre structure et ses propriétés et certains d'entre eux se trouvent dans des diamants ou sur des lunes galiléennes. Et nous allons parler de tous ces types. Ou comme les 20 que nous connaissons, je veux dire pas tous, 74 963.

Commençons par la glace avec laquelle nous sommes tous assez familiers, la glace I.

Si vous prenez de l'eau liquide à des pressions atmosphériques normales et que vous refroidissez à zéro degré Celsius, elle s'alignera en cristaux hexagonaux.

La glace est en fait considérée comme une forme minérale car c'est un solide naturellement présent avec une structure ordonnée.

Pratiquement toute la glace dans la biosphère, qui est la partie de la Terre où se trouve tout ce qui vit, est cette sorte de glace hexagonale appelée également glace Ih.

Cette structure moléculaire hexagonale aide à semer la structure hexagonale des flocons de neige. Mais il y a aussi un peu de glace cubique I ou glace IC qui, comme son nom l'indique, a une structure cubique.

Et cela existe à des températures comprises entre 130 et 220 Kelvins et pourrait en réalité se produire très haut dans notre atmosphère.

Il y a aussi probablement un peu de glace un empilement désordonné là-haut également, qui est comme une glace métastable qui existe quelque part entre la glace cubique et la glace hexagonale. Et cela aide également à donner aux flocons de neige leur symétrie à trois voies.

Mais que se passe-t-il si vous soumettez la glace à toutes sortes de températures et de pressions pour la forcer dans d'autres configurations ?

C'est ce que montre ce diagramme. C'est la clé de tout ce dont nous allons parler. Alors examinons-le de plus près.

Ce que nous avons ici, ce sont des phases de la glace à différentes températures et pressions.

L'axe X est la pression de faible à élevée et l'axe Y est la température.

Ici en orange, nous avons la glace Ih à des températures et pressions ambiantes assez normales.

Maintenant, vous pouvez changer les phases de la plupart des matériaux en changeant la température ou la pression sous lesquelles ils se trouvent. Et nous sommes très familiers avec cela, non ?

Ainsi, changer la température de l'eau peut changer la phase dans laquelle elle se trouve, d'un solide à un liquide ou un gaz. Et changer la pression peut également avoir un effet, mais avec la glace, ce n'est pas juste un solide.

Imaginez la structure cristalline hexagonale de la glace Ih. Si vous soumettez cela à des températures beaucoup, beaucoup plus froides ou des pressions beaucoup, beaucoup plus élevées, vous pouvez déformer et changer cette structure moléculaire en toutes ces autres formes.

Alors, que se passe-t-il si nous allons dans cette direction sur notre graphique et que nous regardons la glace à des pressions plus élevées ? Et je dois mentionner que ces pressions sont vraiment, vraiment élevées. Nous regardons des mégapascals et des gigapascals.

Un gigapascal est égal à 1 milliard de pascals.

Votre pneu de vélo peut être d'environ 500 pascals. Donc c'est 2 millions de fois plus de pression que cela. C'est beaucoup de pression.

Et si nous appliquons cette pression, nous commençons à entrer dans des choses comme la glace III où les liaisons hydrogène commencent à se plier et à se comprimer, puis nous arrivons à la glace V, qui a des anneaux avec plus ou moins de molécules d'eau que notre glace hexagonale.

Et puis si nous continuons à ajouter de la pression, nous arrivons à la glace VI et nous arrivons à la glace VII.

Maintenant, regardez, les chiffres indiquent simplement l'ordre dans lequel ils ont été découverts, rien sur leur structure réelle. Mais ce premier groupe de glaces I, III, V, VI et VII se trouve probablement sur des lunes glacées de notre système solaire. Des endroits comme la lune de Jupiter, Ganymède.

Sur ces lunes, les couches de glace peuvent atteindre jusqu'à mille kilomètres d'épaisseur, créant d'énormes pressions sur les couches inférieures, formant ainsi ces autres phases de glace.

Lorsque la glace est compressée de cette manière pour donner différentes phases, on parle de transition induite par la densité.

Et étonnamment, cela peut également se produire ici sur Terre. La glace VI et VII a été trouvée dans des inclusions de diamants profondément enfouies dans la croûte terrestre.

Vous pouvez donc extraire un diamant et y trouver de la glace VI et VII piégée à l'intérieur.

En raison de cela, elles ont également été désignées comme des minéraux. Elles peuvent être des indicateurs d'eau profonde dans le manteau terrestre et il est possible qu'elles puissent contribuer au frottement entre les plaques de la Terre qui pourraient conduire à des séismes de glace. Des séismes de glace !

Maintenant, si nous zoomons sur la structure de la glace VI, je pense que celle-ci est vraiment, vraiment cool.

Elle est en fait composée de deux sous-réseaux qui s'emboîtent les uns dans les autres, mais ne sont pas connectés. Il n'y a pas de liaisons hydrogène entre les deux, alors ils se nichent simplement ensemble. Ils ne sont pas connectés, ils se tiennent juste à côté.

Maintenant, que se passe-t-il si nous allons dans l'autre sens sur le graphe et que nous tournons la pression en négatif, étirant essentiellement la glace.

Eh bien, ce que nous pouvons obtenir en fait, ce sont des formes de glace moins denses que la glace I, comme la glace XVI et XVII, ce sont des hydrates de clathrate vides.

Les clathrates sont des structures de cage moléculaire qui enferment souvent une autre molécule. Donc ce sont essentiellement de grandes structures de cage vides.

Typiquement, ces derniers sont fabriqués en laboratoire en formant la structure de cage autour d'une autre molécule, quelque chose comme le néon, puis en pompant sous vide toutes ces molécules de cage.

Maintenant, si vous laissez la pression revenir à la pression ambiante, les structures vont généralement revenir à la glace I à moins de maintenir la température très, très basse.

Qu'est-ce que c'est ? C'est zéro Kelvin, c'est très bas.

Maintenant, il y a quelque chose que je n'ai pas encore mentionné à propos de toutes les glaces dont nous avons parlé jusqu'à présent. Ce sont des glaces désordonnées en hydrogène.

Cela signifie que si nous zoomons sur les liaisons tétraédriques entourant une molécule d'eau dans le cristal de glace, la molécule d'eau centrale peut être orientée dans n'importe quelle direction. Et c'est confus, donc j'ai fait un modèle, attendez.

(boules qui grincent)

Bonjour, ceci est mon projet artistique. Et si nous remontons dans le temps jusqu'à la chimie générale ou notre vidéo sur l'étrangeté de l'eau, ce dont nous parlons ici, c'est en fait de changer le dipôle hydrogène ou la séparation et l'orientation des charges sur la molécule d'eau.

Alors souvenez-vous, tout ce qui nous intéresse, c'est l'orientation de cette molécule d'eau centrale. Si vous zoomez sur un cristal de glace, elle peut être orientée comme ceci ou si les molécules d'eau autour d'elle étaient dans cette position, nous avons toujours ces quatre liaisons, mais maintenant le dipôle pointe dans une direction différente.

Donc avant, il allait dans ce sens et maintenant il va dans ce sens, mais il y a des phases de glace qui sont des glaces ordonnées en hydrogène. Cela signifie qu'il y a des configurations préférées pour le dipôle hydrogène plutôt que des configurations aléatoires.

Et souvent, les glaces désordonnées et les glaces ordonnées peuvent être trouvées en paires. Donc si vous refroidissez beaucoup des glaces dont nous avons parlé, vous pouvez passer par une transition induite par l'entropie. En d'autres termes, en baissant la température, vous pouvez trouver que leurs ordres correspondent.

Par exemple, la GLACE XV est une forme ordonnée de la GLACE VI juste en dessous.

Il existe six paires que nous connaissons actuellement. Pour chacune de ces paires, vous abaissez la température et donc vous abaissez l'entropie, vous obtenez donc plus d'ordre.

J'adore quand les choses comme ça ont un sens, ça a du sens dans mon cerveau lorsque je l'ai lu.

L'une des dernières additions à la gamme est la glace XIX. La glace XIX a d'abord été décrite comme une forme ordonnée de la GLACE VI qui était appelée GLACE BÊTA XV. Celle-ci est juste en dessous.

Mais de nouveaux travaux ont montré qu'elle pourrait être mieux décrite comme une version déformée de la GLACE VI et qu'elle pourrait simplement se former à une pression plus élevée. Donc il pourrait en fait aller un peu plus vers ici.

Il y a une controverse sur les limites de certaines de ces glaces. Et j'adore que la controverse signifie que la science est en train de se produire.

But you can even look for structures that don’t fit on this graph.

We are talking about some really weird conditions.

So for example, if you take ice VII and you compress it to 50 to 300 gigapascals, you can get to ice X.

And ice X is strange because the water molecules aren’t even water molecules anymore because the hydrogen bonds become symmetrical between the oxygen that you cannot assign a hydrogen to a single oxygen anymore.

(Alex inhales deeply)

And if you heat it to over 2,500 Kelvin, it doesn’t melt. Instead it turns into ice XVIII, which undergoes super ionicity where the oxygen stay in a lot of structure and the hydrogens just kind of move around them.

Now this hydrogen mobility means that ice XVIII may be as conductive as some metals and it is possible that ice XVIII is hanging out in the center of really dense and hot planets like Uranus and Neptune.

And there’s also another super ionic form of ice described in October 2021 that is angling for the title of ice XX.

And look, we’ve been looking at most of these as like ball and stick models so far, but we can also look at them as 3D structures like this.

Here you can see that ice Ih and ice II both have what’s called these open channel structures. That’s really obvious there.

While in ice XVI, you can much better see those expanded clathrate cages that I talked about before.

Here, it is easier to see how pressure can really deform the structures to create things like ice V and VI and VII. They are clearly much more dense than ice I.

Additionally, this diagram only shows these stable forms of ice while there are also metastable phases like ice IV and ice XII.

Disordered forms of ice that only exist in small intermediate conditions, which is why they just don’t have a stable position here on our graph.

But there’s also amorphous ice.

Amorphous ice doesn’t have a long range order to its structure often because it has been cooled so quickly that there just wasn’t time for a lot of structure to form.

There’s no nice order like any of these that goes on forever. It’s just like water molecules randomly arranged kind of like liquid water, which is why it’s called amorphous ice.

It’s actually the dominant form of water in the universe, as far as we know. No one’s out here measuring every single chunk of ice.

But amorphous ice occurs on things like interstellar dust and in places like Saturn’s rings.

There is a lot of it out there.

So much in fact that it might just deserve a video of its own.

Let us know.

Do you wanna know about amorphous ice? I do.

So is that it? Do we just stop at 20-ish phases of ice and call it a day?

Absolutely not.

In fact, a recent computational study found the potential structures for 74,963 types of ice.

So no, science is not done with ice structures, but to name a structure to add to that Roman numeral list, you have to experimentally show the crystal structure.

And so for now, we’re still waiting on ice XXI.

But here, I think, our scientists disagree, so I’m also gonna do a take with ice XX.

And so for now, we’re still waiting on ice XX.