Il vous est peut-être déjà arrivé de placer une bouteille d’eau dans le congélateur. Après plusieurs heures, lorsque vous la sortez, l’eau semble encore liquide. Mais, à la moindre secousse ou frappe, l’eau se transforme instantanément en glace, sous vos yeux.
Ce phénomène fascinant s’appelle le refroidissement surfusionné (ou supercooling en anglais).
Pour mieux le comprendre, il faut faire appel à quelques principes de la physique de l’état solide et de la cristallographie.
I. Le point de congélation n’est pas une limite absolue
En théorie, l’eau pure gèle à 0 °C.
Mais, en réalité, elle peut rester liquide même en dessous de cette température si certaines conditions sont réunies.
L’état liquide subsiste tant que le processus de cristallisation ne démarre pas.
II. Le rôle essentiel du centre de nucléation
Pour qu’un liquide passe à l’état solide, il faut d’abord la formation d’une graine de cristal ou centre de nucléation.
Cette nucléation peut être déclenchée par :
- des impuretés microscopiques dans l’eau,
- des bulles d’air,
- des irrégularités sur les parois de la bouteille,
- ou même de minuscules particules de poussière.
Lorsque ces éléments sont absents (eau très pure, bouteille propre et lisse), la nucléation ne démarre pas spontanément, même lorsque la température passe en dessous de 0 °C.
III. Un état métastable fragile
L’eau reste ainsi sous-refroidie, c’est-à-dire dans un état instable mais temporairement stable appelé état métastable.
Elle est prête à geler, mais attend un déclencheur.
IV. L’effet du choc mécanique
Quand vous secouez ou frappez la bouteille :
- vous introduisez une perturbation mécanique,
- cela crée localement une petite fluctuation de pression ou de température,
- ce qui provoque immédiatement la formation de la première graine de cristal.
Selon les lois de la croissance cristalline (crystal growth), la glace commence alors à se former et à se propager très rapidement dans toute la masse d’eau.
Ce phénomène est un exemple parfait de transition de phase rapide.
V. Une analogie simple pour mieux comprendre
Imaginez une salle remplie de personnes prêtes à applaudir, mais qui attendent un signal de départ.
Dès que la première personne tape des mains (la nucléation), tout le monde se met à applaudir presque simultanément (la cristallisation rapide de l’eau).
VI. Les fondements scientifiques concernés
Ce phénomène de congélation instantanée illustre plusieurs disciplines de la physique :
- la physique de l’état solide,
- la cristallographie,
- la thermodynamique,
- et la dynamique des transitions de phase.
VII. La leçon scientifique à retenir
Le refroidissement ne suffit pas à provoquer le gel.
Il faut également un élément déclencheur — un centre de nucléation — pour que la transformation de l’eau liquide en glace puisse démarrer et se propager rapidement.