Confirmation expérimentale des théories sur la surfusion ou pourquoi l’eau ne gèle pas dans les nuages

Des scientifiques du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)1, du Centre national de la recherche scientifique (CNRS)2 et de l'installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF)3 apportent des éléments clés pour expliquer le curieux phénomène de surfusion, cet état de la matière où un liquide ne gèle pas alors même qu'il est à une température inférieure à son point de
cristallisation. La surfusion est un phénomène que l'on peut observer au quotidien puisque les nuages sont une accumulation de gouttelettes d'eau en surfusion. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 22 avril 2010.

Des scientifiques du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)1, du Centre national de la recherche scientifique (CNRS)2 et de l'installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF)3 apportent des éléments clés pour expliquer le curieux phénomène de surfusion, cet état de la matière où un liquide ne gèle pas alors même qu'il est à une température inférieure à son point de

cristallisation. La surfusion est un phénomène que l'on peut observer au quotidien puisque les nuages sont une accumulation de gouttelettes d'eau en surfusion. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 22 avril 2010. La surfusion est un état de la matière qui ne peut se produire qu'avec un liquide très pur et

ne contenant pas de germes cristallins. La pureté extrême du liquide ne permet pas à la

cristallisation de prendre, autrement dit au liquide de geler, alors que la température est

inférieure à son point de congélation. Les nuages de haute altitude sont un bon exemple de

ce phénomène : ils sont constitués de minuscules gouttelettes d'eau qui, en raison de la

pureté de l'air, ne forment pas de glace malgré de très basses températures. L'arrangement

des atomes, très chaotique, et l'absence de germe cristallin pour déclencher le processus de

cristallisation sont à l'origine du phénomène. Qu'un avion traverse le nuage et les

gouttelettes d'eau vont s’accrocher à sa structure, qui possède des impuretés, déclencher

très rapidement le processus de cristallisation et former de la glace. C'est pour cette raison

que certains avions sont équipés de systèmes de dégivrage.

Si la surfusion a été découverte dès 1724 par Fahrenheit, de nombreuses questions sur son

mécanisme restent encore aujourd'hui sans réponse. Actuellement, les théoriciens postulent

que la structure interne des liquides pourrait être incompatible avec la cristallisation. Des

modèles théoriques suggèrent que les atomes dans les liquides s’organisent en pentagones.

Or, pour former un cristal, il faut une structure qui peut être répétée périodiquement, de

façon à remplir tout l'espace, ce que la forme pentagonale ne permet pas. Couvrir sans

interruption un plancher avec des pavés pentagonaux est impossible alors que cela l'est

avec des pavés triangulaires, rectangulaires ou hexagonaux. Pour que la cristallisation

puisse avoir lieu, la structure pentagonale doit être cassée afin que les atomes se

réarrangent.

Jusqu'à aujourd'hui, la preuve expérimentale que ces structures pentagonales pouvaient être

la cause de la surfusion n'avait pas été apportée. En étudiant par rayonnement synchrotron

un alliage de silicium et d'or à l'état liquide, les chercheurs ont pu prouver que l'ordre

pentagonal était à l'origine de la surfusion. « Nous avons étudié ce qui se passe dans un

liquide en contact avec une surface sur laquelle une structure de symétrie 5 peut être

réalisée (une surface de silicium 111 avec un revêtement spécial) », explique Tobias Schülli,

premier auteur de l’article. « Nos expériences montrent qu’une surfusion très importante,

inobservée dans ces alliages jusqu’à aujourd’hui, se produit sur une telle surface. Nous

avons fait la même expérience avec des surfaces de silicium présentant une symétrie 3 ou 4

et dans ces cas, la cristallisation a eu lieu à des températures bien plus élevées ».

C'est au cours de travaux sur la croissance de nanofils de semi-conducteurs que les

chercheurs ont découvert cette propriété des liquides qui favorise la surfusion. En observant

le premier stade de croissance de nanofils, ils ont pu constater que l'alliage métal/semiconducteur

utilisé restait liquide à une température bien inférieure à son point de

cristallisation, et ont décidé d'explorer le phénomène. Ces alliages liquides attirent beaucoup

l’attention car ils permettent la croissance de structures semi-conductrices à des

températures de croissance faibles.

Les nanofils de semi-conducteurs sont des candidats prometteurs pour de futurs dispositifs.

A titre d'exemple, les chercheurs travaillent sur l'intégration de nanofils de silicium en

nanoélectronique ou dans les cellules solaires photovoltaïques, ce qui permettrait

d'augmenter le rendement de ces dernières. La surfusion pourrait aussi avoir des

applications métallurgiques. Elle permettrait de mettre au point certains alliages à plus basse

température.