Découverte d’une phase plastique dans la glace VII

Découverte d’une phase plastique dans la glace VII

Une large collaboration internationale de chercheurs rassemblée autour du spectromètre neutrons à temps de vol IN5B à l’ILL, a observé pour la première fois une phase exotique de la glace d’eau, où les molécules s’organisent en cristal cubique, gelant tout mouvement de translation, tout en gardant la liberté de tourner sur eux-mêmes. Cette glace « plastique » s’observe à très forte pression (5 GPa) pour une température entre 200 et 350 °C, conditions que l’on retrouve au fond des océans des lunes de Jupiter, et qui pourrait avoir joué un rôle important dans l’histoire géophysique de certaines planètes et lunes du système solaire.


Le diagramme de phase pression-température de l’eau est très complexe et l’eau, que l’on connaît sur Terre sous une seule forme cristalline, peut en réalité se solidifier en un grand nombre de structures microscopiques différentes, à basse température et pour des pressions très élevées. Ce polymorphisme de la glace constitue un sujet de recherche encore très actif aujourd’hui, comme le montre le cas récent de la « glace VII plastique ». Cet état exotique, où les molécules d’eau restent organisées en un réseau cristallin cubique dense, tout en pouvant tourner sur elles-mêmes, avait été prédit par simulation il y a plus de quinze ans  mais n’avait jamais été observée expérimentalement. 

C’est chose faite depuis que des physiciennes et physiciens de l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC) viennent au sein d’une large collaboration internationale de confirmer son existence grâce à des expériences de diffusion quasi-élastique de neutrons en conditions extrêmes conduites à l’Institut Laue Langevin de Grenoble, sur le spectromètre de neutrons à temps de vol IN5B. Cet instrument permet de mesurer les transferts d’énergie (gamme 10 µeV et 100 meV) entre le faisceau de neutrons incidents et la matière, et d’identifier ainsi les modes de vibration et de rotation présents .

Cette découverte éclaire le rôle crucial de la dynamique des atomes d’hydrogène de la molécule H2O dans les transitions de phase de la glace à très haute pression et température et pourrait expliquer certaines différences constatées par les planétologues dans l’évolution des lunes glacées du système solaire.

Gauche : Diagramme de phase de l’eau à haute pression et température et représentation de la région d’existence de la nouvelle phase plastique. Droite : Schéma de l’instrument IN5B à l’ILL et image de la glace plastique dans une cellule à enclume à diamant. Les contours arrondis des cristaux sont indicatifs de la phase plastique. © Rescigno, M., Toffano, A., Ranieri, U. et al

La diffusion quasi-élastique des neutrons est une technique très sensible à la dynamique aléatoire de l’hydrogène, et elle permet d’analyser les mouvements des molécules d’eau sous pression extrême, au-delà de 50 000 atmosphères et 500 K (227°c). Contrairement aux phases solides classiques, où les molécules restent figées et peuvent seulement vibrer autour de leur position d’équilibre, la glace VII plastique se distingue par une dynamique rotationnelle persistante et rapide, tout en se maintenant dans une structure cubique ordonnée. Les expériences ont été complétées par des simulations de dynamique moléculaire et une analyse numérique qui ont aidé à décrypter le mécanisme sous-jacent à cette rotation moléculaire. Plutôt que de tourner librement, les molécules effectuent en effet des sauts entre orientations différentes, un comportement rappelant la dynamique rotationnelle observée dans les liquides tétraédriques denses.

Au-delà de l’intérêt fondamental pour la physique de l’eau, cette découverte ouvre de nouvelles perspectives concernant la structure et l’évolution des planètes riches en eau. Les propriétés mécaniques, thermiques et de conductivité ionique d’une phase plastique diffèrent en effet radicalement de celles d’une glace classique, ce qui a des implications directes pour la modélisation des intérieurs planétaires. Par exemple, la présence de glace VII plastique sur l’une des deux lunes glacées de Jupiter (Ganymède et Callisto) et son absence sur l’autre pourraient expliquer leur évolution divergente, malgré des conditions initiales similaires. Plus largement, cette phase pourrait jouer un rôle clé dans la dynamique des planètes géantes glacées comme Uranus et Neptune ainsi que dans certaines exoplanètes. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature.


Références :

[1] Observation of plastic ice VII by quasi-elastic neutron scattering
Maria Rescigno, Alberto Toffano, Umbertoluca Ranieri, Leon Andriambariarijaona, Richard Gaal, Stefan Klotz, Michael Marek Koza, Jacques Ollivier, Fausto Martelli, John Russo, Francesco Sciortino, Jose Teixeira & Livia Eleonora Bove, Nature, 640 (2025) 662 ; Open archives : HAL

Voir le communiqué du CNRS-Physique : « Découverte d’une phase plastique dans la glace VII »

Actualité magazine « Pour la science » : « Une nouvelle forme de glace d’eau découverte« .


Contact CEA-IRAMIS : José Teixeira, chercheur émérite (LLB/MMB).

Collaboration :