Cristaux de glace

Les cristaux de glace Ils ont toujours fait l'objet d'études par les scientifiques compte tenu de leur forme particulière et frappante. Si nous les regardons au microscope, nous pouvons voir qu'ils ont des formes géométriques spectaculaires et il est frappant de constater que ces formes géométriques sont générées dans la nature.

Dans cet article, nous allons vous dire quelles sont les conclusions de diverses études liées aux cristaux de glace et ce qui a été découvert à ce jour.

formation de cristaux de glace

La forme hautement symétrique est due à la croissance du réservoir, où l'eau se dépose directement sur les cristaux de glace et s'évapore. En fonction de la température ambiante et de l'humidité, les cristaux de glace peuvent se développer à partir des prismes hexagonaux initiaux de nombreuses manières symétriques. Les formes possibles des cristaux de glace sont colonnaires, en forme d'aiguille, en forme de plaque et dendritiques. Si le cristal migre vers une région de conditions environnementales différentes, le mode de croissance peut changer et le cristal final peut présenter des modes mixtes.

Les cristaux de glace ont tendance à tomber avec leurs axes longs alignés horizontalement, et sont donc visibles sur les radars météorologiques polarimétriques avec des valeurs de réflectance différentielle améliorées (positives). La charge de cristaux de glace peut provoquer des alignements autres qu'horizontaux. Le radar météorologique polarisé peut également bien détecter les cristaux de glace chargés. La température et l'humidité déterminent de nombreuses formes cristallines différentes. Les cristaux de glace sont responsables de plusieurs manifestations optiques atmosphériques.

Les nuages ​​gelés sont constitués de cristaux de glace, en particulier les cirrus et le brouillard givrant. Les cristaux de glace dans la troposphère font que le ciel bleu devient légèrement blanc, ce qui pourrait être le signe d'un front (et de la pluie) qui approche alors que l'air humide monte et gèle en cristaux de glace.

A température et pression normales, les molécules d'eau sont en forme de V et deux atomes d'hydrogène sont liés à des atomes d'oxygène à un angle de 105°. Les cristaux de glace communs sont symétriques et hexagonaux

Lorsqu'ils sont comprimés entre deux couches de graphène, des cristaux de glace carrés se forment à température ambiante. Le matériau est une nouvelle phase cristalline de glace qui se combine avec 17 autres glaces. La recherche fait suite à une découverte antérieure selon laquelle la vapeur d'eau et l'eau liquide peuvent traverser des feuilles d'oxyde de graphène stratifié, contrairement à des molécules plus petites comme l'hélium. On pense que cet effet est entraîné par les forces de van der Waals, qui peuvent impliquer des pressions supérieures à 10.000 XNUMX atmosphères.

études sur les cristaux de glace

Des simulations réalisées sur le supercalculateur MareNostrum à Barcelone par des chercheurs du CSIC et de l'Université Complutense de Madrid ont confirmé que la clé de l'étrange croissance des cristaux de glace réside dans leur structure de surface

Les surfaces de glace peuvent être dans trois états différents, avec divers degrés de désordre. Les passages de l'un à l'autre créent des changements brusques dans les taux de croissance à mesure que les températures augmentent et expliquent les différentes manières (aplati, hexagonal ou les deux) à partir de cristaux de glace ou de neige dans l'atmosphère.

La clé de ces changements et de cette croissance cristallins spécifiques est leur structure de surface. Une étude menée par les chercheurs Luis González MacDowell de l'Université Complutense de Madrid (UCM), Eva Noya de l'Institut de chimie physique Rocca Solano (IQFR) du Haut-Commissariat à la recherche scientifique et Pablo Llombart des deux institutions le démontre quelque peu. . L'article a été publié dans la revue Science Advances.

"La raison de ce changement est restée un mystère jusqu'à présent", explique González MacDowell, rappelant que le chercheur japonais Ukichiro Nakaya a découvert dans les années 1930 les plus petits cristaux de glace, appelés poussière de diamant, en forme de prisme hexagonal. Ces prismes peuvent être plats, comme un losange, ou allongés, comme un crayon ou un prisme hexagonal, et peuvent se transformer d'une forme à une autre à une température spécifique.

Simulateurs

Les chercheurs ont observé qu'à basse température, la surface de la glace était lisse et relativement ordonnée. Lorsque les molécules de vapeur entrent en collision avec la surface, ils ne trouvent pas d'endroit où se précipiter et s'évaporent rapidement, ce qui rend la croissance des cristaux très lente.

Mais à des températures plus élevées, la surface de la glace devient plus désordonnée, avec de nombreuses marches. Les molécules de vapeur peuvent facilement trouver leur place sur les marches et les cristaux se développent rapidement.

"Nous avons observé que ce changement n'était pas graduel, mais s'est produit en raison d'une transition très spécifique appelée transition topologique. Mais ce qui a rendu la glace encore plus inhabituelle, c'est que tout à coup, lorsque la coque extérieure du cristal a fondu, la surface est à nouveau plus lisse et plus désordonnée", a déclaré Noah.

Lorsqu'il redevient très lisse, la croissance cristalline devient très lente de ce côté du cristal, mais pas de l'autre côté. Soudain, certains poussent rapidement, d'autres lentement, et la forme des cristaux change, comme Nakatani l'a observé dans des expériences il y a plus de 90 ans.

Simulation dans MareNostrum

Étant donné que la glace est une substance complexe qui doit être étudiée à l'aide de techniques expérimentales en raison de son évaporation rapide, des simulations ont été réalisées pendant huit mois sur le plus grand ordinateur d'Espagne, MareNostrum (BSC-CNS).

« Le travail informatique nous a permis de déterminer le chemin de chaque molécule d'eau qui forme le cristal ; mais bien sûr, pour former un petit cristal, nous avons besoin de centaines de milliers de molécules, donc la quantité de calculs nécessaires pour faire cette étude est énorme. dit Llombart Say.

González MacDowell a conclu que ces résultats sont « très intéressants, mais la recherche scientifique a toujours besoin d'être confirmée par de nouveaux calculs et validations. Malgré cette prudence, nous sommes heureux que nos efforts aient porté leurs fruits sous la forme de résultats intéressants, car il a fallu de nombreuses tentatives infructueuses pour obtenir des financements.

Par ailleurs, le chimiste rappelle que les cristaux de neige atmosphérique jouent un rôle important dans le réchauffement climatique : «Pour comprendre l'impact sur le changement climatique, nous devons comprendre sa forme et son taux de croissance. Notre meilleure compréhension nous permet donc de mettre une autre pièce dans le puzzle de plusieurs millions de dollars."

J'espère qu'avec ces informations, vous pourrez en apprendre davantage sur les cristaux de glace et leurs caractéristiques.