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L'énigmatique influence électrique sur la surfusion de l'eau

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Si on refroidit très lentement de l'eau suffisamment pure, elle peut rester liquide jusqu'à -39 °C. C'est la surfusion. Un groupe de chercheurs israéliens vient de découvrir que selon la direction d'un champ électrique le point de surfusion de l'eau change. Pourquoi ? On l'ignore mais la découverte pourrait avoir des applications en météorologie.

Au contact de germes de nucléation, comme de la glace, de l'eau en surfusion gèle.

Depuis longtemps, l'eau et ses multiples formes passionnent l'Homme mais il a fallu attendre le XIXe siècle pour que l'on étudie sérieusement ses changements de phase selon la pression, la température ou d'autres conditions physiques. Démarrée avec la thermodynamique classique, l'étude plus générale des changements de phase est devenue au cours des années un domaine fascinant de la physique statistique. La supraconductivité et le ferromagnétisme en sont de bons exemples.

L'un des phénomènes les plus intéressants est celui de la surfusion. Il est même spectaculaire... De l'eau en état de surfusion et donc liquide à l'air libre en dessous de 0°C, se transforme rapidement en glace lorsqu'elle entre en contact avec des impuretés, des noyaux de congélation et même lors d'un simple choc. Le phénomène est bien connu en aviation. A cause de lui, un avion pénétrant dans une zone peuplée de gouttes d'eau en surfusion peut se couvrir de givre en une poignée de secondes. On peut aussi en faire de belles démonstrations au laboratoire, comme le montre la vidéo ci-dessous.


Une expérience montrant le phénomène de surfusion de l'eau.

Prise en glace modulée par la charge

L'influence d'un champ électrique sur le point de surfusion de l'eau est connue depuis 150 ans. Plusieurs expériences mettent en évidence d'autres phénomènes faisant intervenir des champs électriques, comme celle consistant à, quasiment, sculpter de l'eau.

A priori, l'eau étant constituée de molécules polaires, on peut s'attendre à ce genre de phénomène. Mais dans le cas de la surfusion, une étude détaillée est difficile car la moindre impureté peut provoquer le changement de phase. C'est pourquoi Igor Lubomirsky et ses collègues de l'Institut Weizmann à Rehovot en Israël ont tenté de contourner le problème en étudiant des surfaces non métalliques dépourvues de germes de nucléation .

Ils ont utilisé des cristaux de tantalate de lithium (LiTaO3) et des films de titanate de strontium (SrTiO3) placés dans une chambre emplie de vapeur d'eau refroidie lentement pour que les conditions de la surfusion apparaissent.

En l'absence de charge électrique à la surface de ces matériaux, le point de surfusion est de -12,5°C. Mais à la grande surprise des chercheurs, si ces surfaces sont électriquement chargées, les températures de formation de la glace diffèrent selon la polarité. Le point de surfusion tombe à -18°C avec des charges négatives et grimpe à -7°C avec des charges positives.

Personne ne comprend pourquoi... La découverte, qui vient de faire l'objet d'une publication dans le journal Science, montre tout de même que la formation de glace peut être influencée par la présence de charges et d'un champ électrique. Ce phénomène, même incompris, pourrait avoir des implications en cryogénie, pour la conservation des tissus et du sang par exemple, ou encore pour l'ensemencement des nuages et la création de pluies artificielles.