Prenez de l'eau. Ajouter du chlorure de sodium. Réfrigérer et presser dans des glaces salées.

Mar 07, 2023

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Les composés créés en laboratoire – jamais vus auparavant – pourraient exister naturellement sur les lunes glacées du système solaire externe.

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De Kenneth Chang

Les scientifiques ont découvert deux nouvelles formes de glace salée qui n'existent probablement pas naturellement sur Terre, mais qui pourraient se trouver sur des lunes glacées plus loin dans le système solaire.

"Ces structures ne ressemblent en rien à ce qui a été décrit auparavant", a déclaré Baptiste Journaux, professeur adjoint par intérim de sciences de la Terre et de l'espace à l'Université de Washington.

Écrivant dans le numéro du 20 février des Actes de l'Académie nationale des sciences, le Dr Journaux et ses collègues décrivent deux nouvelles combinaisons solides et glacées de deux des substances les plus courantes trouvées sur Terre : l'eau et le chlorure de sodium, mieux connu sous le nom de table sel.

Les cristaux nouvellement découverts se sont formés, de manière inattendue, lorsque de l'eau salée a été refroidie à basse température et pressée à haute pression.

L'eau salée est abondante sur Terre - elle remplit les océans, après tout - et les chimistes savent depuis longtemps comment elle se comporte dans les conditions terrestres. La glace sur cette planète est rarement salée.

En effet, le chlorure de sodium - chaque molécule est constituée d'un atome de sodium et d'un atome de chlore - est souvent considéré d'abord comme un antigel, abaissant la température de congélation de l'eau. C'est pourquoi il se répand sur les routes lors des tempêtes de neige. Lorsque l'eau salée gèle, les cristaux de glace qui se forment sont constitués d'eau pure avec les ions sodium et chlorure expulsés dans le liquide restant.

À des températures suffisamment froides, l'eau sursalée résiduelle commence à se solidifier, formant de l'hydrohalite, un cristal ou un hydrate rigide contenant de l'eau. Hydrohalite se compose de deux molécules d'eau pour chaque chlorure de sodium.

Au cours des dernières décennies, les scientifiques planétaires ont découvert une multitude de mondes dans le système solaire externe qui possèdent des océans d'eau liquide sous leurs croûtes glacées. Ceux-ci incluent Europe et Ganymède, deux lunes de Jupiter, et Titan et Encelade, deux lunes de Saturne. Le Dr Journaux voulait étudier le rôle que le sel pourrait jouer pour empêcher les océans de ces mondes de geler.

Pour reproduire ces conditions, un peu d'eau salée a été refroidie à des températures aussi basses que moins 190 degrés Fahrenheit et pressée entre deux morceaux de diamant à des pressions allant jusqu'à 25 000 fois les 14,7 livres par pouce carré habituelles que l'air appuie contre nous à la surface de la Terre. .

"Au départ, nous avons fait ces expériences parce que nous voulions étudier les effets antigel du chlorure de sodium, du sel, car il est prédit comme probablement le soluté le plus courant dans les océans extraterrestres comme dans les océans de la Terre", a déclaré le Dr Journaux. "Nous nous attendions à voir quelque chose de similaire à ce que nous voyons sur Terre, c'est-à-dire que les sels seraient rejetés de la glace au fur et à mesure de sa croissance."

Au lieu de cela, l'antigel a gelé.

"Nous avons eu un nouveau cristal qui est sorti de nulle part auquel nous ne nous attendions pas du tout", a déclaré le Dr Journaux. "Alors c'était très fortuit."

Les cristaux étaient minuscules, tout au plus environ 1/250e de pouce de large, soit à peu près la largeur d'un cheveu humain.

Les rayons X rebondissant sur les cristaux ont montré aux scientifiques qu'ils avaient créé deux nouveaux hydrates. L'un avait une structure cristalline de deux molécules de chlorure de sodium pour 17 molécules d'eau. Celui-ci s'est formé à une température d'environ moins 100 degrés Fahrenheit et à une pression de 5 000 fois la pression atmosphérique habituelle. À des pressions plus élevées, un autre hydrate moins salé s'est formé, un avec 13 molécules d'eau pour chaque molécule de chlorure de sodium.

Les scientifiques ont également vu des signes d'une troisième forme, mais les cristaux en forme d'aiguilles étaient trop fins pour étudier la structure cristalline. "C'est très joli", a déclaré le Dr Journaux, "mais c'est si mince qu'il est difficile d'obtenir les données."

Les nouveaux hydrates pourraient aider à expliquer un mystère sur Europe. Les observations de 2019 à l'aide du télescope spatial Hubble ont identifié sans ambiguïté le chlorure de sodium dans des traînées jaunâtres à la surface de la lune. Il est très peu probable qu'il se présente sous la forme de grains de sel pur, mais d'autres observations - les couleurs de la lumière infrarouge absorbées par la surface, qui servent d'empreintes digitales d'identification de composés spécifiques - n'ont offert aucun signe convaincant d'hydrohalite, l'hydrate de sel connu.

Les scientifiques ont montré que le nouvel hydrate qui s'est formé à 5 000 fois la pression atmosphérique est resté stable après la suppression de la pression et peut-être à des températures aussi chaudes que moins 40 degrés Fahrenheit. Cela suggère que cet hydrate aurait pu se former dans le sous-sol d'Europe et resterait sous cette forme s'il était poussé à la surface.

"Nous savons depuis longtemps qu'une sorte de matériau est mélangé à la glace d'eau", a déclaré Michael E. Brown, professeur d'astronomie planétaire au California Institute of Technology, qui était l'un des scientifiques qui ont fait les observations de Hubble identifiant le chlorure de sodium. sur Europe. "Et nous soupçonnons depuis longtemps qu'il pourrait en fait s'agir simplement de sel provenant de l'océan intérieur, mais nous n'avons jamais été en mesure d'obtenir un bon ajustement. Peut-être que c'est cette nouvelle forme de sel."

Le chlorure de sodium "est l'une des choses les plus simples et les mieux comprises au monde", a déclaré le Dr Brown. "Et pourtant Journaux vient d'en découvrir une nouvelle forme qui n'avait jamais été vue auparavant."

La stabilité de l'hydrate suggère également qu'il peut y avoir un moyen de le créer sans les hautes pressions, permettant peut-être la croissance de cristaux plus gros. Cela pourrait à son tour conduire à des expériences qui mesureraient l'absorption de la lumière infrarouge, puis la compareraient directement aux mesures d'Europa.

Le Dr Journaux a contacté Christoph Salzmann, professeur de chimie à l'University College de Londres en Angleterre, qui était l'un des scientifiques qui ont signalé ce mois-ci une nouvelle forme de glace à l'eau créée lorsque de la glace normale était secouée avec des billes d'acier.

En partant de l'eau salée, cette même technique pourrait peut-être aussi créer le nouvel hydrate. "Nous allons définitivement essayer", a déclaré le Dr Salzmann. "Si le nouvel hydrate est stable à basse température, peut-être que le mélange fourni par le broyage à billes est tout ce qu'il faut pour qu'il se forme."

Le Dr Journaux a déclaré que l'hydrate pourrait même exister naturellement sur Terre. Certaines parties de l'Antarctique deviennent suffisamment froides et l'hydrate pourrait se solidifier dans des lacs saumâtres.

L'autre hydrate, avec 13 molécules d'eau pour chaque chlorure de sodium, pourrait se trouver au fond des océans des mondes glacés, a déclaré le Dr Journaux.

Plusieurs engins spatiaux robotiques se dirigeront vers le système solaire externe dans les années à venir pour étudier ces mondes de glace intrigants, qui, selon de nombreux scientifiques, sont les endroits les plus prometteurs du système solaire pour rechercher la vie extraterrestre. La mission Juice de l'Agence spatiale européenne - un raccourcissement de Jupiter Icy Moons Explorer - devrait être lancée en avril. La NASA prévoit de lancer son vaisseau spatial Europa Clipper en octobre 2024 pour étudier Europe et la libellule en 2026 pour se diriger vers Titan, la plus grande lune de Saturne.

Les hydrates pourraient même s'avérer être un moyen de stocker l'énergie générée par les panneaux solaires et les éoliennes pour une utilisation lorsque le soleil ne brille pas ou que les vents sont calmes. "Donc, cela pourrait également avoir des implications dans la vie réelle", a déclaré le Dr Journaux.

Kenneth Chang est au Times depuis 2000, écrivant sur la physique, la géologie, la chimie et les planètes. Avant de devenir écrivain scientifique, il était un étudiant diplômé dont les recherches portaient sur le contrôle du chaos. @kchangnyt

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