Des chercheurs mesurent la nucléation des cristaux dans des liquides atomiques surfondus

Des chercheurs du XFEL européen à Schenefeld, près de Hambourg, ont examiné de plus près la formation de la première cristallisation de noyaux dans des liquides surfondus. Ils ont constaté que la formation commence beaucoup plus tard que prévu. Les résultats pourraient aider à mieux comprendre la création de glace dans les nuages ​​à l’avenir et à décrire plus précisément certains processus à l’intérieur de la Terre.

Tous les enfants savent que l’eau se transforme en glace lorsqu’elle devient glaciale. Pour l’eau, cela se produit normalement en dessous de 0°C, la température de fusion de l’eau. Il s'agit d'un point fixe sur l'échelle de température Celsius que nous utilisons.

Cependant, la transition de la phase liquide à la phase solide est un processus très complexe et difficile à étudier expérimentalement au niveau atomique. L'une des raisons à cela est que les cristaux se forment de manière aléatoire : vous ne savez pas exactement quand et où cela se produira.

De plus, un liquide peut rester longtemps dans un état métastable : il reste liquide même s’il devrait effectivement geler et devenir solide. Cela rend extrêmement difficile de déterminer le bon moment pour qu’un cristal se forme et d’observer sa croissance.

Cependant, ces effets sont de nature très pertinente. Ils jouent par exemple un rôle décisif dans la formation de glace dans les nuages ​​ou dans les processus à l’intérieur de la Terre.

Grâce aux intenses éclairs de rayons X du laser à électrons libres du XFEL européen, une équipe internationale de chercheurs du XFEL européen de Schenefeld, près de Hambourg, a réussi à mesurer avec précision la nucléation de liquides surfondus. Les expériences se sont déroulées sous vide afin que les rayons X n’interagissent pas avec les molécules de l’air, ce qui interférerait avec les expériences.

La recherche est publiée dans la revue Lettres d'examen physique.

Toutefois, en raison de sa complexité, l’eau est l’un des liquides les plus difficiles à modéliser. Pour cette raison, les chercheurs ont plutôt utilisé de l’argon et du krypton sous forme liquide dans leurs expériences. En fait, les gaz rares liquides surfondus sont les seuls systèmes pour lesquels des prévisions théoriques fiables peuvent être actuellement faites.

Les chercheurs ont explicitement étudié le taux de nucléation des cristaux J(T). Il s'agit d'une mesure de la probabilité qu'un cristal se forme dans un certain volume et dans un certain temps. La vitesse à laquelle cela se produit est un paramètre important, par exemple, pour pouvoir décrire mathématiquement des processus réels dans des modèles, par exemple dans les prévisions météorologiques ou dans les modèles climatiques.

Puisqu’il est très difficile de mesurer la formation réelle de cristaux, des simulations sont souvent utilisées. Toutefois, ceux-ci sont associés à des incertitudes majeures. Par exemple, les taux de nucléation simulés pour l’eau peuvent s’écarter de plusieurs ordres de grandeur de ceux mesurés expérimentalement, ce qui rend la modélisation imprécise.

Le laser à rayons X du XFEL européen est idéal pour des recherches de ce type : à l'aide d'éclairs de rayons X intenses, les chercheurs peuvent étudier les changements très rapides dans le développement de la cristallisation.

L’équipe a choisi l’instrument MID (MID = Materials Imaging and Dynamics) pour ses expériences. Ils ont bombardé les jets de liquide avec des impulsions de rayons X d’une énergie de 9,7 kiloélectronvolts (keV). Chaque impulsion de rayons X durait moins de 25 femtosecondes – une femtoseconde correspond à un quadrillionième de seconde. Pour illustrer, la lumière parcourt moins d’un millimètre pendant cette période.

Les expérimentateurs ont dirigé la lumière intense des rayons X sur le jet de liquide, qui n’avait que 3,5 micromètres d’épaisseur, en le focalisant sur une surface d’un diamètre inférieur à un micromètre. Au total, l’équipe a enregistré plusieurs millions d’images de diffraction afin de disposer de statistiques suffisantes et de déterminer le taux de formation des cristaux avec suffisamment de précision.

Selon leurs résultats, les taux de nucléation des cristaux sont bien inférieurs à ceux prédits sur la base des simulations et de la théorie classique.

“L'étude promet d'élargir considérablement notre compréhension de la cristallisation”, déclare Johannes Möller de l'instrument MID du XFEL européen. “Les résultats montrent que la théorie classique largement utilisée de la formation de cristaux à partir de la phase liquide s'écarte considérablement de la réalité.”

“Nous espérons que notre approche permettra de tester pour la première fois diverses extensions de la théorie classique pour prédire la cristallisation”, ajoute Robert Grisenti du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, l'auteur principal de l'étude. “Nos résultats aideront les théoriciens à affiner leurs modèles à l'avenir.”