Une molécule étrange pourrait se cacher à l’intérieur d’Uranus et de Neptune, affectant leurs champs magnétiques

Les scientifiques de Skoltech et leurs collègues chinois ont déterminé les conditions qui permettent l'existence d'un ion très particulier. Surnommé aquodiium, il peut être conceptualisé comme une molécule d’eau neutre ordinaire à laquelle sont collés deux protons supplémentaires, ce qui donne une double charge positive nette.

L'équipe suggère que l'ion pourrait être stable à l'intérieur des géantes de glace Uranus et Neptune et que, si c'est le cas, il devrait jouer un rôle dans le mécanisme qui donne naissance aux champs magnétiques inhabituels de ces planètes. L'étude est publiée dans Examen physique B

Un magnétisme étrange

Les champs magnétiques d'Uranus et de Neptune ne sont pas aussi bien compris que ceux de Jupiter et de Saturne, ou même de notre propre planète.

À l’intérieur de la Terre, la circulation de l’alliage fer-nickel liquide conducteur électronique produit du magnétisme. On pense qu’au plus profond de Jupiter et de Saturne, l’hydrogène est poussé dans un état métallique et donne naissance à des champs magnétiques de la même manière.

En revanche, on suppose que les champs magnétiques d'Uranus et de Neptune proviennent de la circulation de milieux conducteurs d'ions, dans lesquels les ions constitutifs sont eux-mêmes des porteurs de charge, plutôt que simplement une structure de support permettant le flux d'électrons.

Si les planétologues savaient exactement quels ions sont impliqués et dans quelles proportions, ils pourraient peut-être comprendre pourquoi les magnétosphères des géantes de glace sont si bizarres : mal alignées avec la direction de rotation des planètes et décalées par rapport à leurs centres physiques.

Le professeur Artem R. Oganov de Skoltech, co-auteur de l'article, explique en quoi les conductivités ionique et électronique sont différentes et où l'ion nouvellement prédit s'intègre dans ceci : « L'hydrogène entourant le noyau rocheux de Jupiter dans ces conditions est un métal liquide : il peut s'écouler , la façon dont le fer en fusion circule à l'intérieur de la Terre, et sa conductivité électrique est due aux électrons libres partagés par tous les atomes d'hydrogène pressés ensemble.

“Sur Uranus, nous pensons que les ions hydrogène eux-mêmes, c'est-à-dire les protons, sont les porteurs de charges libres. Pas nécessairement en tant que H autonome.⁺ ions, mais peut-être sous forme d'hydronium H₃Ô⁺ammoniumNH₄⁺, et une série d'autres ions. Notre étude ajoute une possibilité supplémentaire, le H₄Ô²⁺ ion, ce qui est extrêmement intéressant du point de vue chimique.

Lien manquant

En chimie, il y a la notion de sp³ l'hybridation, qui fait référence à la façon dont les orbitales électroniques se combinent les unes avec les autres et équivaut à quelque chose comme un modèle naturel pour créer des molécules et des ions plausibles. Sous sp³ Lors de l'hybridation, le noyau d'un atome (par exemple le carbone, l'azote ou l'oxygène) occupe le point central d'un tétraèdre imaginaire.

Chacun des quatre sommets héberge soit un électron de valence, soit deux électrons appariés qui ne sont pas disponibles pour établir des liaisons avec d'autres atomes. L’exemple le plus simple serait un atome de carbone avec quatre électrons non appariés aux quatre sommets : ajoutez quatre atomes d’hydrogène et vous obtenez une molécule de méthane : CH₄.

Pour un atome d'oxygène, qui possède deux paires d'électrons dans sa couche la plus externe, ainsi que deux électrons de valence, sp³ l'hybridation signifierait que seuls deux des sommets pourraient héberger une liaison covalente avec l'hydrogène, les deux autres étant occupés par des paires d'électrons, ce qui donne H₂Ô, l'eau.

Si vous attachez un ion hydrogène (un proton) à l’une des paires d’électrons, vous obtenez un ion hydronium H.₃Ô⁺et c'est en fait ce que l'on obtient dans une solution acide, car les acides donnent des protons H⁺ dans la solution et les protons isolés sont immédiatement attirés vers des paires d'électrons.

Pression et acide

“Mais la question était : pouvez-vous ajouter encore un autre proton à l'ion hydronium pour combler la pièce manquante ? Une telle configuration dans des conditions normales est énergétiquement très défavorable, mais nos calculs montrent qu'il y a deux choses qui peuvent y arriver”, explique Le professeur Xiao Dong de l'Université chinoise de Nankai, dont l'idée originale est à la base de cette recherche.

“Premièrement, une très haute pression oblige la matière à réduire son volume, et partager une paire d'électrons d'oxygène jusqu'alors inutilisée avec un ion hydrogène (proton) est une manière intéressante de le faire : comme une liaison covalente avec l'hydrogène, sauf que les deux électrons de la paire proviennent de l'oxygène. Deuxièmement, vous avez besoin de beaucoup de protons disponibles, ce qui signifie un environnement acide, car c'est ce que font les acides : ils donnent des protons.

L’équipe a utilisé des outils informatiques avancés pour prédire ce qui arrive à l’acide fluorhydrique et à l’eau dans des conditions extrêmes. Le résultat : étant donné une pression d'environ 1,5 million d'atmosphères et une température d'environ 3 000 degrés Celsius, de l'aquodiium H bien séparé₄Ô²⁺ des ions apparaissent dans la simulation.

Les scientifiques pensent que leur ion nouvellement découvert devrait jouer un rôle important dans le comportement et les propriétés des milieux à base d'eau, en particulier ceux sous pression et contenant de l'acide.

Cela correspond à peu près aux conditions sur Uranus et Neptune, où un océan d'eau liquide extrêmement profond produit des pressions extrêmement élevées et où l'on peut également s'attendre à une certaine quantité d'acide. Si tel est le cas, des ions aquodiium se formeront et, en participant à la circulation océanique, contribueront aux champs magnétiques et à d’autres propriétés de ces planètes d’une manière distincte des autres ions.

Peut-être que l’aquodiium pourrait même former des minéraux encore inconnus dans ces conditions extrêmes.