Glace amorphe

La glace amorphe est probablement la forme la plus abondante d’eau dans l’univers en raison de sa capacité à se déposer molécule par molécule sur toute poussière interstellaire.

Pour cette raison la glace amorphe est omniprésente dans les nébuleuses, les météorites et les comètes. L’idée que la glace puisse exister sous une forme amorphe, c'est à dire non cristalline, a été avancée pour la première fois dès 1935 lorsqu’on observa que de l’eau déposée sur des plaques froides ne présentaient aucun pic de diffraction de Bragg en diffraction des rayons X [1]. 

La glace amorphe de basse densité (ρ =  0,94 g·cm^-3), notée LDA, est aussi un solide original qui, lorsqu’il est soumis à une pression, commence par se ramollir, puis subitement s’effondre pour donner naissance une autre forme de glace amorphe encore plus dense (ρ =  1,17 g·cm^-3), glace notée HDA, lorsque la pression atteint environ 6 kbar à T = 77K [2]. Si l’on relâche la pression ce que l’on observe dépend de la température. À 76K, la glace reste dans l'état HDA, tandis qu’au dessus de 110K la forme amorphe se transforme brutalement en glace LDA de volume plus grand. La glace LDA est aussi remarquable car en dépit de son absence de cristallisé, son état thermodynamique et ses manières de vibrer sont celles d’une substance hautement organisée. Ainsi les phonons se propageant dans la phase LDA ont un libre parcours moyen qui augmente lorsque l’on baisse la température comme dans un cristal [3]. Aucun autre type de verre ne présente une telle caractéristique.  La barrière d’énergie séparant les deux formes de glace LDA et HDA a été estimée à 33 kJ·mol-1 [4]. Sur un plan structural la glace LDA présente un ordre local similaire à celui de la glace hexagonale, tandis que l’ordre local de la glace HDA ressemble plutôt à  celui que l’on trouve dans l’eau liquide [5].Sous certaines conditions, il est également possible de produire une glace amorphe ayant une densité de 1.25 ± 0.41 g·cm^-3 baptisée VHDA [6]. 

Références

[1] C. A. Angell, «Amorphous water», Annu. Rev. Phys. Chem., 55 (2004) 559–583.

[2] O. Mishima, L. D. Calvert & E. Whalley, «An apparently first order transition between two amorphous phases of ice induced by pressure», Nature, 314 (1985) 76-78.

[3] H. Schober, M.M. Koza, A. Tölle, C. Masciovecchio, F. Sette, & F. Fujara, «Crystal-like High Frequency Phonons in the Amorphous Phases of Solid Water», Phys. Rev. Lett., 85 (2000) 4100-4103.

[4] M.M. Koza, H. Schober, H. E. Fischer, T. Hansen & F. Fujara, «Kinetics of the high- to low-density amorphous water transition», J. Phys.: Condens. Matter, 15 (2003) 321–332.

[5] J. L. Finney, A. Hallbrucker, I. Kohl, A. K. Soper & D. T. Bowron, «Structures of High and Low Density Amorphous Ice by Neutron Diffraction», Phys. Rev. Lett., 88 (2002) 225503.

[6] J. L. Finney, D. T. Bowron, A. K. Soper, T. Loerting, E. Mayer & A. Hallbrucker, «Structure of a New Dense Amorphous Ice», Phys. Rev. Lett., 89 (2002) 205503.