L’eau pure gèle normalement à 0 °C. Mais dans certaines conditions, la température de fusion peut être considérablement abaissée. Ce processus de nucléation de glace est essentiel dans les phénomènes météo comme la formation des nuages, ou dans les technologies dégivrantes. Des chercheurs sont parvenus à un nouveau record de point de congélation, et ce n’est peut-être pas fini !

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Vous avez toujours appris que l’eau gèle à 0 °C ? Ce n'est pourtant pas toujours vrai. De l'eau de mer salée à 23 % se solidifie par exemple seulement à -21 °C. Il peut aussi se produire un phénomène de surfusion, où l'eau reste liquide dans un état instable. C'est ce que l'on observe dans les nuagesnuages, où l'eau se transforme brutalement en givregivre au passage d’un avion par exemple. Dans certaines conditions, l'eau peut théoriquement rester liquide jusqu'à -38 °C. En 2018, des chercheurs étaient déjà parvenus à repousser cette limite à -42,55 °C (voir notre précédent article, ci-dessous). Aujourd'hui, un nouveau record à -44 °C  a été franchi par une équipe de l'université de Houston aux États-Unis, dont les résultats sont parus dans la revue Nature Communications.

Des nanogouttes de seulement 275 molécules

Pour parvenir à cet exploit, les scientifiques ont d'abord créé de minuscules gouttelettes d'eau allant de 150 nanomètresnanomètres (soit la taille d'une particule du virus de la grippevirus de la grippe) jusqu'à 2 nanomètres, ce qui représente seulement 275 molécules d'eau. En effet, plus la goutte est petite, plus le point de fusion est abaissé. Les gouttes de 2 nanomètres gèlent ainsi à -41 °C. Pour descendre encore plus bas, les chercheurs ont « enveloppé » les gouttes d'octane, un hydrocarburehydrocarbure qu'ils ont ajouté sur les pores d'une membrane d'oxyde d'aluminiumoxyde d'aluminium anodisé où passaient les gouttes d'eau. « Nous avons découvert que si une gouttelette d'eau est en contact avec une interface molle, la température de congélation peut être considérablement inférieure à celle des surfaces dures », explique Hadi Ghasemi, professeur de génie mécanique à l'université de Houston. Cette approche permet aux gouttelettes de prendre une forme plus arrondie sous une pressionpression plus élevée, ce qui est essentiel pour empêcher la formation de cristaux de glace à très basse température.

Les nanogouttes d’eau sont confinées et entourées d’un film huileux. © Alireza Hakimian et al., <em>Nature Communications</em>, 2021
Les nanogouttes d’eau sont confinées et entourées d’un film huileux. © Alireza Hakimian et al., Nature Communications, 2021

Une limite théorique à -123 °C

Pour détecter le passage de l'eau liquide à l'eau solide, impossible à observer directement à cette échelle, les chercheurs ont analysé la lumièrelumière émise dans le spectre infrarougeinfrarouge et mesuré la conductance électrique (la glace étant plus conductrice que l'eau). Résultat : les gouttes de 2 nanomètres ont gelé à -44 °C, ce qui établit un nouveau record. Impossible de savoir si de telles conditions sont possibles en milieu naturel, avertissent les chercheurs. Théoriquement, on estime que la nucléationnucléation de glace peut être supprimée jusqu’à -123 °C lorsque la nanogouttelette est confinée dans une forme spéciale et soumise à une forte pression. Mais pour l'instant, personne n'est parvenu à créer et observer de telles gouttelettes.

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Antigivrants et prévisions météo

Ces recherches ont de très nombreuses implications, explique Hadi Ghasemi. « Le processus de congélation des petites gouttelettes d'eau joue un rôle essentiel dans la survie des animaux dans des environnements froids, car la formation d'eau gelée à l'intérieur d'une cellule entraîne sa rupture et sa mort. » La fusionfusion de l'eau joue également un rôle clé dans la prévision climatique, les conditions de formation des nuages, la cryoconservation des organes et les appareils exposés aux conditions givrantes tels que les avions et les éolienneséoliennes. Hadi Ghasemi a d'ailleurs auparavant inventé un antigivrant pour des applicationsapplications aérospatiales.


Record : de l’eau liquide à -42,55 °C

Article de Nathalie MayerNathalie Mayer publié le 11/01/2018

Il y a quelques jours, des chercheurs annonçaient que l'eau était en réalité composée de deux liquides susceptibles d'être séparés. Aujourd'hui, une autre équipe nous apprend qu'elle peut rester liquide jusqu'à une température inférieure à -40 °C. L'eau, ce composé en apparence basique, décidément, n'en finira jamais de nous étonner.

Tout le monde le sait, la température de solidificationsolidification de l'eau pure est de 0 °C. De l'eau pure, car ajoutez un peu de sel à l'eau et cette température peut descendre. Ainsi, une eau salée à hauteur de 23 % ne gèle qu'à partir de -21 °C. Mais ce n'est rien comparé au record que viennent d'établir des chercheurs de l'université de Frankfort (Allemagne). Ils sont parvenus à maintenir de l'eau pure liquide jusqu'à... -42,55 °C !

En pareille situation, lorsqu'un composé reste liquide à une température à laquelle il est normalement solide, les physiciensphysiciens parlent de surfusionsurfusion. Cependant, ils ne savent pas encore précisément quels sont les mécanismes sous-jacents. Dans le cas de la surfusion de l'eau cela pourrait pourtant, entre autres, les aider à développer des modèles climatiques plus fiables. Car des gouttes d'eau surfondue se forment naturellement dans l'atmosphèreatmosphère. Les pilotes d'avions le savent car il arrive que leur appareil, en traversant un nuage, parfois si diffusdiffus qu'il est invisible, se couvre quasiment instantanément de givre, la prise en glace de l'eau surfondue étant alors provoquée par le choc.

Durant l’hiver 1942, des centaines de chevaux auraient été piégés par les eaux du lac Lagoda (Russie) alors dans un état de surfusion. © Yoneh de fi, Wikipedia, CC by-SA 3.0
Durant l’hiver 1942, des centaines de chevaux auraient été piégés par les eaux du lac Lagoda (Russie) alors dans un état de surfusion. © Yoneh de fi, Wikipedia, CC by-SA 3.0

Une chambre à vide et un laser

Pour établir leur record de température, les chercheurs allemands ont injecté des gouttes d'eau de taille micrométrique dans une chambre à vide. Sur leur parcours, ces gouttes se sont partiellement évaporées. Ce faisant, les gouttes, ainsi rétrécies, ont refroidi en corrélation avec la diminution de leurs dimensions.

Il ne restait plus alors qu'à mesurer les diamètres des gouttes pour évaluer leur température. Les chercheurs y sont parvenus avec une précision inégalée de 10 nanomètres. En éclairant les gouttes au laserlaser et en mesurant la position des pics de résonance de la lumière diffusée.