Et pourtant dans certains cas, la nature a des réticences à suivre les lois de la thermodynamique : avec quelques précautions, il est ainsi possible de refroidir de l’eau à des températures inférieures à 0°C, sans qu’elle gèle !

Surfusion et solidification

Pour réaliser cet exploit, il faut refroidir l’eau très précautionneusement, par exemple dans un extérieur calme ou un congélateur bien isolé des vibrations. Si vous avez de la chance et du doigté, vous pourrez obtenir de l’eau liquide à -15°C ! C’est ce qu’on appelle l’état de surfusion.

L’explication réside dans le fait que même en dessous de 0°C, la réaction de congélation de l’eau ne se déclenche pas spontanément : elle a besoin d’une perturbation pour démarrer. Cette perturbation peut être une vibration, une impureté, un choc, etc.

En revanche, comme nous allons le voir, dès que la solidification a pu démarrer quelque part dans le liquide, elle se comporte comme une réaction en chaîne et se propage rapidement dans tout le volume d’eau disponible.

Rien ne vaut une belle vidéo pour illustrer ça. Youtube en regorge alors ne nous privons pas. Sur celle-ci l’expérimentateur (qui a oublié sa blouse blanche) possède une bouteille d’eau liquide qui a été refroidie en dessous de 0°C.

Cliquer ici pour voir la vidéo.

Comme vous avez pu le voir, ça n’est que quand l’eau de la bouteille touche les glaçons qu’elle se solidifie. La solidification n’est pas instantanée, mais elle est assez rapide ! Les glaçons du verre jouent ici le rôle d’amorceur de la réaction en chaîne. Mais en secouant la bouteille ou en la tapant contre la table, on aurait obtenu le même phénomène.

Stabilité et métastabilité

Pour expliquer ce comportement bizarre, il faut savoir que quand on affirme que l’eau est solide en dessous de 0°C, on ne décrit pas vraiment l’état dans lequel se trouve l’eau, mais l’état dans lequel elle devrait se trouver. Encore faut-il que le processus de transition vers cet état puisse se dérouler ! Et comme nous l’avons vu, pour se dérouler il lui faut commencer avec une petite perturbation.

Pour comprendre cette situation, prenons une analogie mécanique. Si vous placez une boule sur la pente d’une vallée,  elle sera dans une position instable et elle va descendre dans le creux de la vallée, qui est sa position stable.

Mais si la pente est rugueuse ou avec un creux intermédiaire, il se peut que notre boule reste coincée ailleurs que dans le fond. On parle alors de position métastable. Il faudra à notre boule une petite perturbation pour se sortir de cette position et rejoindre le fond de la vallée.

L’eau se comporte de manière analogue. Au-dessus de 0°C, l’état liquide est stable et si je perturbe mon eau, rien ne se produit. Quand je la refroidis en dessous de 0°C, l’eau surfondue devient métastable : elle peut demeurer ainsi quelques temps (comme la boule dans le creux intermédiaire), mais dès qu’une perturbation suffisante est appliquée, l’eau est ramenée dans son état stable : la glace.

Différents types de perturbations

Plusieurs types de perturbations peuvent être utilisées pour faire démarrer la solidification de l’eau surfondue. Le contact avec un glaçon représente la perturbation idéale, car il constitue alors une amorce de la réaction en chaîne, en formant un germe autour duquel la solidification peut se produire.

Un cas très spectaculaire est illustré dans la vidéo ci-dessous : l’eau se solidifie dès qu’elle touche la glace dans le bol.

Cliquer ici pour voir la vidéo.

La perturbation la plus courante est la vibration. Comme votre congélateur vibre un peu, c’est cela qui fait que vous ne récupérez jamais de l’eau surfondue dans votre bac à glaçons. Le choc est également un bon déclencheur. C’est lui qui est à l’origine de certaines pluies verglaçantes, quand des gouttes d’eau de pluie surfondue impactent le sol et se solidifient.

Le déclenchement par choc est également un des principes des chaufferettes à main. Elles contiennent un liquide surfondu (de l’acétate de sodium) qui se met à cristalliser en cas de choc. La réaction de cristallisation est exothermique, ce qui réchauffe nos mains !

Enfin autre perturbation utilisable : la détente d’un gaz dissous dans le liquide. En d’autres termes : prenez une bière, mettez là au congélateur quelques heures (attention, sans vibrations !) et ouvrez la délicatement. A l’ouverture, le CO2 dissous dans la bière se met à dégazer, et cela déclenche la solidification de votre bière en surfusion. Supercool en soirée !

Pour les furieux : le petit creux qui fait que l’état liquide est métastable signifie qu’il y a une barrière énergétique à passer pour rejoindre l’état solide. Cette barrière est due au fait que la nucléation d’une phase solide dans la phase liquide est coûteuse en terme d’énergie de surface de l’interface solide-liquide. Mais dès qu’un noyau assez grand a pu se former, ce coût de surface devient faible devant le gain en volume dû à l’énergie de fusion : la réaction en chaîne démarre. Mais le phénomène est encore mal compris, et il y a de récentes recherches sympathiques sur le sujet.

>> Article initialement publié sur Science étonnante un blog de C@fé des sciences

>> Photo FlickR CC Nico Nelson