Confirmation expérimentale des théories sur la surfusion ou pourquoi l’eau ne gèle pas dans les nuages

Une actualité de l'Institut de Physique du CNRS. La surfusion est un état de la matière qui ne peut se produire qu’avec un liquide très pur et ne contenant pas de germes cristallins. La pureté extrême du liquide ne permet pas à la cristallisation de prendre, autrement dit au liquide de geler, alors que la température est inférieure à son point de congélation. Les nuages de haute altitude sont un bon exemple de ce phénomène : ils sont constitués de minuscules gouttelettes d’eau qui, en raison de la pureté de l’air, ne forment pas de glace malgré de très basses températures.

Des scientifiques du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)1, du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) 2 et de l’installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) 3 apportent des éléments clés pour expliquer ce curieux phénomène de surfusion, cet état de la matière où un liquide ne gèle pas alors même qu’il est à une température inférieure à son point de cristallisation. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 22 avril 2010.

Si la surfusion a été découverte dès 1724 par Fahrenheit, de nombreuses questions sur son mécanisme restent encore aujourd’hui sans réponse. Actuellement, les théoriciens postulent que la structure interne des liquides pourrait être incompatible avec la cristallisation. Des modèles théoriques suggèrent que les atomes dans les liquides s’organisent en pentagones. Or, pour former un cristal, il faut une structure qui peut être répétée périodiquement, de façon à remplir tout l’espace, ce que la forme pentagonale ne permet pas. Couvrir sans interruption un plancher avec des pavés pentagonaux est impossible alors que cela l’est avec des pavés triangulaires, rectangulaires ou hexagonaux. Pour que la cristallisation puisse avoir lieu, la structure pentagonale doit être cassée afin que les atomes se réarrangent.

Jusqu’à aujourd’hui, la preuve expérimentale que ces structures pentagonales pouvaient être la cause de la surfusion n’avait pas été apportée. En étudiant par rayonnement synchrotron un alliage de silicium et d’or à l’état liquide, les chercheurs ont pu prouver que l’ordre pentagonal était à l’origine de la surfusion. « Nous avons étudié ce qui se passe dans un liquide en contact avec une surface sur laquelle une structure de symétrie 5 peut être réalisée (une surface de silicium 111 avec un revêtement spécial) », explique Tobias Schülli, premier auteur de l’article. « Nos expériences montrent qu’une surfusion très importante, inobservée dans ces alliages jusqu’à aujourd’hui, se produit sur une telle surface. Nous avons fait la même expérience avec des surfaces de silicium présentant une symétrie 3 ou 4 et dans ces cas, la cristallisation a eu lieu à des températures bien plus élevées ».

Lire la suite de l'article sur le site de l'Institut de Physique du CNRS.

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