On connaissait jusqu'à présent des cas où l'eau est liquide bien en dessous de 0°C, par exemple dans certains nuages.
Ce que viennent de réussir des chercheurs américains, c'est garder de l'eau solide à plus de 40°C, sans artifice trop compliqué.

La méthode compliquée

Des chercheurs du laboratoire Sandia avaient déjà congelé de l'eau à des températures extrêmement élevées, mais ils avaient besoin d'un courant de quelques millions d'ampères pour créer le champ magnétique nécessaire à la compression de l'eau à plus de 70000 atm. (1 atm = 1013 hPa). Sous de telles pressions, l'eau devient effectivement solide même à haute température. On conviendra que de telles conditions sont difficilement réalisables quotidiennement.

La nouvelle méthode... simple ?

Par contre, Alexander D. Wissner-Gross et Efthimios Kaxiras de l'université de Harvard ont réalisé un matériau relativement simple à la surface duquel la glace peut rester solide au-dessus de 0°C. Le matériau en question est un film de diamant dont la dernière couche d'atomes est remplacée par des ions Sodium Na⁺. Ensuite, il suffit de déposer une couche de glace dessus et le tour est joué ! Facile non ?

Hop, un schéma vu de côté pour éclaircir les choses :
En vert, ce sont les atomes de carbone qui composent le diamant.
En bleu, on a les atomes de sodium qui remplacent la dernière couche du diamant.
Et en rouge, c'est la glace ! Les traits noirs séparent chaque couche de glace.


La courbe du haut montre la température de fusion de la glace sur différents types de films de diamant pour chaque couche (8 en surface, 1 "collée" au sodium).
(a) glace "normale"
(b) glace sur du diamant dont la dernière couche est composée d'hydrogène.
(c) glace sur du diamant dont la dernière couche est composée de sodium.

La courbe du bas indique la différence de température de fusion entre le cas de figure (c) et le cas (a).

On remarque alors que les couches de glace les plus "basses" fondent à plus haute température. En regardant bien, on se rend compte que la couche la plus profonde devient liquide à environ 320 K, soit 47°C. Nous sommes impressionnés, et c'est alors que deux questions viennent nous tarauder :

Comment ce miracle est-il possible ?

Pour simplifier, il semblerait que les interactions électro-magnétiques entre les ions sodium et les molécules d'eau (formation d'un dipôle électrostatique) stabilisent énormément l'eau. L'énergie -et donc la température- nécessaire pour la faire fondre devient donc plus grande.
Ça c'est la version abrégée. Pour plus de renseignements, vous pouvez vous reporter sur la publication.

Et à quoi diable tout ceci peut-il servir ?

Et bien, les plus audacieux d'entre vous auront certainement remarqué que 47°C, c'est supérieur à 37,2°C. Et 37,2°C, c'est la température moyenne dans un corps humain. Où veux-je donc en venir ?

Sachez que certaines personnes ont besoin de prothèses internes pour vivre (hanche, coeur, etc...). Ces prothèses sont en contact permanent avec les organes et sont parfois articulées avec les os.

Les matériaux utilisés en chirurgie prothésiste s'usent beaucoup en surface, et il pourrait être utile de les recouvrir d'un film de diamant qui lui ne fatiguerait pas. En effet, le diamant est un des matériaux les plus solides. Du coup il serait dangereux pour les os et les fragiliserait en surface. De plus, le sang coagule très bien à la surface du diamant.
C'est la que la glace intervient : le sang ne coagule pas sur de la glace et la glace serait moins dangereuse pour les jointures prothèse-os que le diamant.
Ainsi des prothèses recouvertes aux endroits critiques d'un film de diamant "glacé", cumuleraient les avantages de la solidité du diamant et de l'innocuité de la glace qui ne fondrait pas dans le corps humain !

Alors un espoir pour l'avenir des prothèses ? Pas si sûr. Aussi alléchant que soit ce programme, il faut quand même savoir que la fabrication de ce matériau est encore expérimentale et couterait certainement très cher à produire industriellement. Pour l'instant, on ne peut qu'émettre des hypothèses   sur leur utilisation possible.

Publication consultable en ligne ici.
Images : Alexander D. Wissner-Gross and Efthimios Kaxiras, Physical Review E, August 2007

Vraiment intéressant, pour les ions Na+ et les petits trucs blancs de la partie diamant, je pense (car je suis pas spécialiste ^^) que c'est justement pour faire la liaison entre les deux, car le réseau chaîné de carbone n'est pas des plus stable aux bords, donc il y a forcement plein de saloperies qui vont s'incruster en surface genre hydrogène ou autre, bah là ils ont du forcer des ions sodium a faire ses liaison pour tapisser la surface de diamant (mais j'ai peu être tout faux :o)
Pour le graphique j'ai compris mais avec du mal, et ca me fait réfléchir à une chose:
L'épaisseur des couches est très très fines, du coup je me demande pour des utilisation comme une prothèse si la physique va pas tout chambouler, car une prothèse exerce de grande force, ca engendre des frottements mais aussi des pression/dépression au sein de la cloison, qu'on pourrait comparer aux effets des patineurs sur de la glace, donc a voir si cela pourrait entraîner des micro usures, mais je trouve ca quand même super (principe comme applications possible qui lui sont associé)!

On peut dire que notre nouveau validateur démarre en force !

Moi ce que je me demande c'est pourquoi on parle de bilayer (bicouche) au lieu de monolayer (monocouche).

Edit : après réflexion, je me demande si ce n'est pas "simplement" une question de polarité (étant donné que l'eau est polaire) et qu'on introduit une couche de Na⁺

Kabefis : Vu qu'on se trouve à des échelles nanométriques -quelques molécules d'épaisseur-, la physique est complètement différente. Notamment, pour ce qui est de la résistance à la pression, je crois qu'à ces échelles là les matériaux sont beaucoup plus solides qu'à l'échelle macroscopique.

RévoX : ben je crois que ta réflexion pourrait être décisive...
Moi j'avais pensé à une spécificité structurelle de la glace, après tout il existe 14 types de structures cristallines recensées pour la glace...
Mais ça peut être bêtement électrostatique effectivement. Le dipôle créé au niveau de la surface entre Na⁺ et H₂O pourrait se "propager" dans les couches supérieures par un moment dipolaire... Doit y avoir un chimiste moléculaire qui traine dans le coin et qui pourrait éclaircir ça...

Pfiou, c'est pas bien facile de se dépatouiller avec la publication originelle...

Kabefis : En effet les problèmes des bordures des réseaux cristallins induisent souvent des imperfections et des impuretés que l'on peut plus ou moins maîtriser. Là c'est la qualité du diamant qui est en cause : on s'arrange pour avoir des cations Na⁺ en périphérie et le contre-ion est coincé vers l'intérieur du cristal. En revanche on ne peut pas parler de liaisons entre le réseau et le cation puisque ce dernier a perdu son électron de valence. Ca ressemble plus à un "encastrement" dans la superficie du réseau.
On peut aussi se demander pourquoi du sodium et pas du potassium (il en est question dans l'article) ou autre. Probablement pour des raisons de stabilité avec le carbone, d'insertion toute bête.

RévoX : Oui, c'est vraisemblablement de "simples" interactions électrostatiques entre l'ion et l'eau qui la piègent de façon assez puissante.
N'oublions pas que H₂O est polaire, avec la charge partielle de l'oxygène δ^- attirée par le cation Na⁺.
Et vu que le sodium est relativement petit comme atome (n°11) on peut supposer que la couche de glace est plus proche du diamant et donc fortement piégée par le champs électrique généré, suffisamment puissant pour piéger plusieurs couches.

Il y aurait apparemment eu une expérience menée à Séoul par l'équipe de Heon Kang en 2005 qui permettait de créer de la glace à 20 °C grâce à d'importants champs électriques. C'est certainement le même phénomène dans le cas des prothèses.

Par contre pour ce qui est de la "bicouche"... Peut-être un agencement des molécules d'eau dans la glace qui veut ça ?
En tout cas je ne suis pas hyper-pointu en électromagnétisme, mais ça semble être ça.
(Les physiciens se débrouillent bien pour un sujet comme celui-là. ^^)

En fait plus je réfléchis moins je comprends cette bicouche. Car si on raisonne (trop ?) simplement, le Na⁺ va forcer la polarisation de l'eau. L'O^2- devrait donc se retrouver du côté du Na⁺, ce qui n'est pas le cas sur le schéma donné.
Quoi qu'il en soit, la polarisation devrait se ropager et donc former des monocouches et non des bicouches...

Peut-être parce-que c'est de la glace, et comme tout bon cristal, les molécules sont pas censées bouger juste pour plaire aux champs électriques ? En supposant que l'eau soit déposée directement sous forme de glace sur le diamant.

C'est H⁺ et O^2- les ions des éléments H et O nan?

Dans la doc en anglais ils parlent d'un instantané après 5 pico-secondes à ce que j'ai compris, et de potentiel de Lennard-Jones et de Coulomb pour l'interaction entre atomes, puis pour l'explication du pourquoi du bicouche il parle de paramètre de Lindemann qui cause se déplacement (j'suis pas top en anglais et en chimie donc je peux me tromper de beaucoup mais ca m'a l'air très pointu cette affaire, énormément trop pour moi :))

Ce que je me pose comme question maintenant, c'est est-ce que ce phénomène est permanent ou très bref(ou autre chose)?


Bon je vais faire des réactions chimique avec mon four et ma pizza (je préfère)

Kabefis a raison RévoX : c'est O₂^- l'ion oxyde.

Oui tout à fait. Merci d'avoir soulevé l'erreur.

J'ai édité mon message

Histoire d'en rajouter une (bi)couche : en effet, dans l'eau l'oxygène est à l'état d'oxydation -II. (Guill@ume : O^2-, pas O₂^-   )
Pour ma part l'anglais (et certainement mon niveau en physique, c'est qu'elle est pointue cette affaire) me limitent franchement pour comprendre la suite, donc je ne rajouterai rien...

Sauf que ça a l'air permanent : une fois les molécules piégées le champs électrostatique reste à peu près constant, donc il n'y a pas de raison pour que l'eau se liquéfie par la suite. (Surtout si le dispositif doit entrer dans la composition de prothèses... Encore que ce serait le moyen d'en inventer des jetables.)

P. S. : Attention Kabefis avec ton affirmation sur les ions, il existe l'hydrure H^- (LiAlH₄ peut en fournir un), ainsi que l'oxygène à l'état d'oxydation 0 (O₂) ou +I (H₂O₂, l'eau oxygénée) et bien d'autres.

Oups en effet, merci d'avoir corrigé Diduu.

Merci des précisions Diduu, j'vais aller me faire un thé glacé chaud moi (oh que c'est nul ^^)

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