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La glace peut devenir un "aimant électrique" !

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Sous forme de mémoires électroniques, les matériaux ferroélectriques sont présents autour de nous depuis plus de dix ans. On s'interroge beaucoup sur l'existence de la glace ferroélectrique en 3D, qui serait l'équivalent d'un « aimant électrique ». Comme vient à nouveau de le montrer une équipe chinoise, on peut effectivement l'obtenir sous une forme quasi-1D.

Des cristaux de sel de Seignette, l'une des premières substances ferroélectriques connues. © cristallographie.free.fr

La découverte qu'il existait dans la nature l'équivalent des matériaux ferromagnétiques est relativement récente. En effet, ce n'est qu'à partir de 1920 que les travaux du physicien Joseph Valasek établirent l'existence et les caractéristiques des matériaux ferroélectriques.

La ferroélectricité est la propriété d'un matériau possèdant une polarisation électrique à l'état spontané, polarisation qui peut être renversée par l'application d'un champ électrique extérieur. Pendant quelques décennies, seuls les cristaux de sel de Seignette, ou sel de Rochelle, et qui avaient été étudiés par Valasek, étaient connus pour être ferroélectriques. Mais à la fin des années 1940 et au début des années 1950, on découvrit que le titanate de baryum, de formule BaTiO3, ainsi que d'autres matériaux, présentaient eux aussi cette propriété ferroélectrique.

Cet oxyde de baryum et de titane, qui cristallise dans une structure pérovskite, reste un matériau modèle pour l'étude de la ferroélectricité. On l'utilise sous forme de céramique ou de couche mince pour ses propriétés diélectriques et piézoélectriques (notamment dans les thermistances CTP, les condensateurs céramiques...). De nos jours, des matériaux ferroélectriques sont utilisés dans certaines mémoires non-volatiles (FRam, Ferroelectric Ram), où elles peuvent par exemple remplacer la mémoire Flash. On en trouve notamment dans la Playstation.

Il existe un matériau dont les propriétés ferroélectriques supputées ou avérées font l'objet de plusieurs recherche depuis au moins une décennie : c'est la glace !

Selon certaines observations, de la glace ferroélectrique serait présente à la surface de Charon, compagnon de Pluton. On voit ici cette petite famille vue par Hubble. © Nasa

Une clé pour comprendre la formation des planètes

L'une des raisons est que, tout comme dans le cas récent des études portant sur le cryovolcanisme, on pourrait obtenir ainsi indirectement des renseignements précieux pour d'autres matériaux ferroélectriques utilisables en nanotechnologie.

Surtout, on a des raisons de penser qu'il existe de la glace ferroélectrique à la surface ou à l'intérieur de planètes comme Neptune, Uranus, Pluton et son satellite Charon. Elle se rencontrerait en particulier autour de particules silicatées ou carbonées intervenant dans la formation des planètes. En effet, on comprend aisément que des champs électriques générés naturellement par de telles particules ferroélectriques vont affecter les processus les faisant coalescer.

La glace ferroélectrique n'existe pas dans les conditions naturelles régnant sur Terre. En fait, même si cela n'est pas très connu, il existe au moins 11 formes cristallines pour la glace.

Ordinairement, dans la glace standard, les dipôles électriques que constituent les molécules d'eau sont orientés de telle façon qu'il n'en résulte pas un champ électrique global, les différentes contributions de ces molécules polaires s'additionnant de telle sorte que le champ total est nul. Les calculs indiquent cependant qu'à des températures très basses, il doit exister des réseaux cristallins où cela n'est plus vrai. On discute depuis des années de preuves portant sur l'existence dans l'univers ou dans des expériences en laboratoire de phases cristallines de différentes dimensionnalités exhibant de la ferroélectricité.

Un groupe de chercheurs chinois vient d'annoncer dans les célèbres Proceedings of the National Academy of Sciences avoir synthétisé la première glace homogène ferroélectrique en quasi-1D.

Tout comme dans le cas des expériences récentes montrant un changement de l'état quantique de l'eau, c'est avec des nanostructures piégeant un petit nombre de molécules d'eau qu'ils ont obtenu le phénomène observé. Ils ont ainsi constaté que les nanocanaux contenant moins d'une centaine de molécules d'eau exhibaient une  transition de phase en dessous de 277 K (4° C), passant d'un liquide 1D à de la glace 1D avec une grande anomalie diélectrique.

Les chercheurs espèrent en tirer des informations utiles pour la biologie, les géosciences et bien sûr la nanotechnologie.