De l’eau salée à la glace salée

Lorsqu’on cherche à congeler de l’eau salée en la refroidissant, ce sont des cristaux de glace pure que l’on obtient. Ceux-ci flottent sur une solution plus concentrée en sel. La structure cristalline de la glace ne s’accommode pas de la présence de particules chargées en son sein alors que de petites molécules neutres, tels des gaz rares, peuvent venir s’intercaler dans le réseau cristallin peu dense formé par les molécules d’eau. Il était considéré jusqu’à présent que cette propriété était générale et qu’aucune des multiples formes connues de glace ne pouvait incorporer d’ions dans sa structure. Des chercheurs de l’Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés (IMPMC), du Paul Scherrer lnstitut en Suisse et de l’Institut Laue-Langevin à Grenoble viennent de démontrer que ce comportement n’est pas une propriété intrinsèque de la glace : il est effectivement possible d’insérer des concentrations très élevées de sel dans l’eau solide. Cependant il ne s’agit pas de la glace habituelle mais d’une phase haute pression qui n’existe qu’à des pressions supérieures à 20 000 bar, appelée « glace VII ». Des phases haute pression de la glace, absente sur terre, pourraient être naturellement présentes sur certains des satellites de Saturne et Jupiter.

Pour préparer cette glace salée, les physiciens ont tout d’abord refroidi une solution aqueuse de Chlorure de Lithium à la température de -200 °C, ce qui la transforme en une structure solide dans laquelle les molécules ne sont pas organisées régulièrement. Comprimé à 40 000 bar, ce verre solide se cristallise en se réchauffant en une variété de glace qui incorpore le sel dans sa structure. Les chercheurs ont alors identifié la structure cristallographique de ce solide à l’aide de la technique de diffusion de neutrons : les ions chlorure Cl- ,relativement gros, prennent la place de molécules d’eau, tandis que les petits ions Lithium Li+ occupent des sites interstitiels. Ces observations expérimentales ont été confirmées par des simulations numériques montrant la stabilité et les propriétés de cette nouvelle structure d’hydrate.

Cette découverte pourrait avoir des implications sur notre compréhension de la géologie des satellites des planètes de Jupiter et Saturne, comme Ganymède, Europe, Callisto et Titan. Ces objets possèdent d’épaisses carapaces de glace au-dessous desquelles se trouvent vraisemblablement d’énormes océans salés. La démonstration que des « glaces salées » peuvent, en principe, exister dans la nature et, connaissant les conditions de pression à l’intérieur de ces corps, on peut soupçonner l’existence de glaces salées. En outre, l’incorporation du sel change considérablement les propriétés physiques de la glace. Ce sont, sans doute, des conducteurs ioniques, et la conductivité estimée est proche des valeurs qui sont nécessaires pour expliquer les champs magnétiques d’Europe et Callisto.

Structure locale dans la glace VII "salée".

Les atomes d’oxygène de l’eau (rouge) et le Cl^- (vert) se trouvent en moyenne sur un réseau centré bcc, les atomes Li⁺ (jaune) sur des sites interstitiels.