L’eau, une molécule aux multiples visages

Le glaçon que l’on sort du congélateur ne représente qu’une seule des nombreuses architectures que peuvent former les molécules d’eau à l’état solide. Dès que la pression grimpe fortement, les atomes se réarrangent et donnent naissance à de nouvelles phases, numérotées au fil des découvertes. La glace XXII est la dernière en date : elle commence à apparaître aux alentours de 308 gigapascals, c’est-à-dire une pression supérieure à 3 millions de fois celle que nous subissons au niveau de la mer.

Comment recréer des pressions planétaires en laboratoire ?

Pour obtenir des conditions aussi extrêmes, les scientifiques ont eu recours à une cellule à enclumes de diamant. Le principe est simple, mais redoutablement efficace : un échantillon minuscule est coincé entre deux pointes de diamant qui concentrent l’effort sur une surface infime, ce qui démultiplie la pression exercée.

L’observation de la structure interne s’est appuyée sur deux méthodes complémentaires :

La diffraction de rayons X issus d’un synchrotron

Ces rayons, d’une intensité très élevée, traversent l’échantillon et permettent de déduire la position des atomes à mesure que la pression augmente.

L’analyse par faisceau laser

Une technique optique fondée sur la lumière laser a servi à détecter les modifications du matériau au cours de la compression.

De la glace X à la glace XXII : une transition progressive

Bien avant le seuil des 308 gigapascals, l’eau a déjà perdu toute ressemblance avec la glace ordinaire. À partir d’environ 70 gigapascals, elle se transforme en glace X, une phase dans laquelle les atomes d’oxygène s’alignent selon un motif particulièrement ordonné.

En poursuivant la compression, l’équipe a remarqué que cet agencement très régulier se déformait peu à peu. Puis, vers 308 gigapascals, les signaux de rayons X changent franchement : une nouvelle organisation atomique s’installe et la glace X laisse sa place à la glace XXII. D’après les mesures, cette phase conserve sa stabilité au moins jusqu’à 340 gigapascals environ.

Une prédiction théorique enfin confirmée

Ce basculement n’est pas une totale surprise pour les physiciens. Depuis près de trois décennies, des modèles de calcul annonçaient qu’à très haute pression, la symétrie élevée de la glace X finirait par céder au profit d’une structure moins symétrique. Les résultats expérimentaux viennent valider ce scénario.

Autre record : selon les auteurs de l’étude, la glace XXII est la forme solide d’eau la plus dense jamais mesurée expérimentalement.

Pourquoi cette découverte intéresse les planétologues

Des pressions de plusieurs centaines de gigapascals n’existent pas à la surface de la Terre, mais elles règnent à l’intérieur des grandes planètes. Là-bas, l’eau subit non seulement un écrasement considérable, mais aussi des températures pouvant dépasser plusieurs milliers de degrés. Mieux cerner les différentes phases de l’eau permet donc d’affiner les modèles décrivant l’intérieur des géantes gazeuses et des mondes riches en eau.

Il serait toutefois réducteur de voir la glace XXII comme un simple glaçon ultra-compressé. Sous de telles contraintes, les liaisons entre hydrogène et oxygène sont profondément modifiées. Or c’est précisément l’agencement des atomes qui conditionne la densité et le comportement du matériau. Ces expériences fournissent ainsi une référence concrète pour éprouver les simulations numériques, seules capables d’explorer des conditions impossibles à reproduire sur de grands volumes de matière.

Les prochaines étapes de la recherche

L’exploration est loin d’être terminée. Plusieurs pistes se dessinent déjà :

Une nouvelle transition attendue vers 760 gigapascals

Les calculs prévoient un autre changement de structure à ce niveau de pression, mais les méthodes actuelles de compression statique ne permettent pas encore de l’étudier dans de bonnes conditions.

Le rapprochement avec la compression dynamique

Les chercheurs souhaitent confronter leurs résultats à ceux obtenus par compression brutale, où l’eau portée à plus de 2 000 °C peut adopter d’autres états sous des pressions comparables.