Nouvelle compréhension de la raison pour laquelle les gouttelettes d’eau surfondues explosent parfois lorsqu’elles gèlent

La caractéristique presque unique de l’eau de se dilater lors du gel peut provoquer la rupture des gouttelettes d’eau, et de nouvelles recherches américaines ont fourni des informations importantes sur les facteurs qui affectent cela et la glace qui en résulte.¹ Les résultats pourraient potentiellement conduire à des avancées dans la modélisation atmosphérique.

L’eau ne se solidifie pas instantanément dès que sa température descend en dessous de 0°C car les cristaux de glace doivent d’abord nucléer et se propager. Les gouttelettes d’eau peuvent donc rester dans un liquide surfondu métastable qui est stable bien en dessous de zéro. Lorsque l’eau finit par geler, il est plus probable qu’elle le fasse près de l’extérieur d’une gouttelette. C’est en partie parce que la géométrie simple dicte qu’une forme 3D a plus de surface plus loin de son centre, et aussi parce qu’une gouttelette de refroidissement se refroidit d’abord à l’extérieur. Si l’extérieur gèle en premier, le centre puis le gel crée une pression dans la glace.

Cette pression peut être relâchée si la coque solide se fissure, permettant à l’eau liquide de s’échapper de l’intérieur. Celle-ci se fige alors en protubérances appelées spicules. La gouttelette peut également se briser complètement, laissant derrière elle plusieurs morceaux de glace. En 2017, Sander Wildeman et ses collègues de l’Université de Twente aux Pays-Bas ont observé en utilisant l’imagerie à grande vitesse que les gouttelettes de plus d’environ 50 μm étaient susceptibles de se briser, contrairement aux gouttelettes plus petites.²

Dans le nouveau travail, cependant, Claudiu Stan de l’Université Rutgers dans le New Jersey et ses collègues ont examiné des gouttelettes plus profondément surfondues d’une taille de seulement 40 μm. Les chercheurs ont utilisé le laboratoire d’accélération linéaire de Stanford pour effectuer simultanément une imagerie par diffraction des rayons X et une microscopie optique sur des milliers de gouttelettes entre 6,4 et 7,8 ms après injection dans une chambre à vide. Ils ont constaté qu’environ 60% d’entre eux ont explosé. Les chercheurs soupçonnent que cela peut être dû au fait que, dans un environnement surfondu plus profondément, les gouttelettes forment une coquille de glace plus solide, empêchant l’eau de s’échapper pour former des spicules : « Notre explication à l’heure actuelle est que nous maintenons et augmentons peut-être la pression en raison de l’augmentation résistance de la coque », explique Stan. Il espère que le fait de combiner le travail avec celui d’autres personnes pourrait permettre au domaine d’arriver à une formule reliant la pression de l’air, la température et le diamètre des gouttelettes avec la probabilité d’un fractionnement des gouttelettes et le nombre de fragments produits. C’est un problème de longue date en physique des nuages, par exemple.

En analysant les modèles de diffraction des rayons X, les chercheurs ont découvert que l’eau ne gèle pas en glace hexagonale familière. Une expérience précédente impliquant des gouttelettes d’eau surfondues d’une émulsion huile-eau a observé que, quelques minutes après la congélation, la glace était dans une phase intermédiaire, avec des défauts d’empilement reliant les régions de glace hexagonale et les régions de glace cubique.³ Cependant, dans la nouvelle expérience, les gouttelettes congelées ont adopté une configuration hexagonale contrainte 1 ms après la congélation. «Il n’y a pas d’expérience continue entre ces deux et il existe de nombreux ordres de grandeur de différence dans l’échelle de temps», explique Stan. « Il semble que la contrainte serait suffisante pour introduire au moins quelques défauts d’empilement, mais nous ne connaissons pas le mécanisme par lequel cela se produirait. » Les chercheurs envisagent désormais d’étendre leurs travaux à des échelles de temps plus longues pour tenter d’observer l’évolution de la structure.

Le chimiste computationnel Pablo Debenedetti de l’Université de Princeton aux États-Unis est impressionné par la combinaison de techniques expérimentales des chercheurs et déclare que leur travail est « une approche intéressante de l’approche très complexe de la dynamique des gouttelettes dans des conditions de congélation rapide ». Il espère maintenant qu’ils pousseront vers des températures encore plus froides, où, dit-il, « je serais intéressé de savoir s’ils voient des signatures de glace cubique ». Il suggère également qu’ils pourraient appliquer les techniques à d’autres liquides.