Lumière sur une forme singulière de l’eau : l’eau superionique

Solide, liquide et gazeux. Les trois états de l’eau nous semblent bien connus.  Pourtant, dans des conditions de pression et de température extrêmes, cet élément familier (H2O) prend des formes plus exotiques. En particulier, l’eau peut devenir superionique : les atomes d’oxygène sont régulièrement disposés de manière fixe, comme dans un solide, tandis que les atomes d’hydrogène (sous forme d’ions) se déplacent librement, comme dans un fluide. 

Cet état superionique, prédit théoriquement dans les années 1980, a été observé pour la première fois en 2018, mais les détails de sa structure restaient incertains. Or, cela pourrait jouer un rôle important au cœur des planètes géantes glacées comme Uranus ou Neptune, où les conditions sont réunies pour que l’eau superionique soit présente en grande quantité. La liberté de déplacement des ions hydrogène confère une très bonne conductivité électrique, qui, avec la matrice solide, pourrait expliquer le champ magnétique de ces planètes.

Un état difficile à étudier

Cependant, observer expérimentalement l’eau superionique sur Terre s’avère délicat : Il faut atteindre des pressions des millions de fois plus élevées que la pression atmosphérique et des températures de plusieurs milliers de degrés Kelvin. Pour atteindre ces conditions extrêmes, les chercheurs du LULI et leurs collègues ont utilisés les infrastructures du SLAC National Accelerator Laboratory à Stanford (Etats-Unis) et du European XFEL, en Allemagne, qui disposent chacune de lasers puissants associés à des sources de rayons X, une sonde microscopique extrêmement performante.

Dans ces expériences, un échantillon d’eau liquide est placé entre deux vitres de diamant. Le faisceau laser produit une onde de compression qui se réfléchit plusieurs fois entre ces vitres, générant une série de « chocs » qui comprime l’eau. « Ces expériences sont complexes car il ne faut pas que l’eau monte trop en température, sinon même la matrice des atomes d’oxygène fond » souligne Alessandra Ravasio, directrice de recherche CNRS au LULI. Pendant cette compression, un faisceau de rayons X ultra-rapide de quelques dizaines de femtosecondes (10-15 secondes) traverse l’échantillon. Lorsqu’ils sont ensuite détectés, ces rayons X fournissent une figure de diffraction qui contient des informations sur la disposition des atomes d’oxygène.

Une structure inédite et des défauts mis en évidence

Les atomes peuvent en effet être disposés selon différents motifs élémentaires. Par exemple les atomes d’oxygène peuvent occuper les sommets d’un cube ainsi que les centres des faces, on parle alors de système cubique à faces centrées. L’ensemble de la structure des atomes d’oxygène est alors formé par l’empilement de ces cubes élémentaires. Cette géométrie influence les propriétés de l’eau superionique.

 L’étude révèle une structure beaucoup plus complexe que ce que les chercheurs imaginaient jusque-là. Notamment pour des pressions d’environ 150 Gigapascal et des températures autour de 2500 Kelvin, deux géométries se retrouvent : un motif élémentaire cubique à faces centrées et un motif hexagonal, plus compact. L’empilement de ces deux motifs n’est donc pas parfait et les décalages conduisent à des défauts. 

« Lorsque nous avons analysé les premiers résultats de diffraction, une phase inconnue a immédiatement attiré notre attention, nous l’avions surnommée la “mystery phase”. Ce n’est qu’au terme d’un travail d’analyse approfondi que nous avons pu déterminer que cette signature inhabituelle provenait en réalité de défauts, levant ainsi le mystère » explique Léon Andriambariarijaona, postdoctorant au LULI qui a mené l’analyse des résultats de diffraction. Les modélisations numériques sont en accord avec ces observations.

Ces travaux soulignent que l'eau, malgré sa simplicité, continue de nous surprendre par ses propriétés étonnantes. Les résultats fournissent également des contraintes utiles pour améliorer les modèles de l'intérieur des planètes géantes glacées et de leur évolution.

Référence de l’article scientifique :

Andriambariarijaona, L., Stevenson, M.G., Bethkenhagen, M. et al. Observation of a mixed close-packed structure in superionic water. Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67063-2

*LULI : une unité mixte de recherche CEA, CNRS, Sorbonne Université, École polytechnique, Institut Polytechnique de Paris, 91120 Palaiseau, France

**La collaboration a été financée par l'Agence nationale de la recherche (ANR) et la Fondation allemande pour la recherche (DFG). Plus de 60 scientifiques issus d'institutions européennes et américaines ont contribué aux expériences et aux analyses, notamment le LULI, l'Université de Rostock, l'European XFEL, le SLAC National Accelerator Laboratory, le Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, le CEA, l'Université Queen's de Belfast, l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) et Sorbonne Université.