Le clathrate hydrate d'ammoniac : une nouvelle phase solide à prendre en compte pour Titan, Encelade et d'autres objets du système solaire

Jeudi, 5 avril 2018

En simulant sur ordinateur le piégeage de la molécule d’ammoniac dans des clathrates hydrates, une équipe de physiciens hongrois et d'astrophysiciens français de l’Institut Utinam et du Laboratoire d'astrophysique de Marseille, ont montré que le clathrate hydrate d’ammoniac pouvait être stable à basse température (jusqu’à 200 K) dans des conditions typiques de certains environnements planétaires ou du milieu interstellaire, confirmant ainsi les résultats d’une étude expérimentale, pourtant contrintuitive, publiée quelques années auparavant.

La molécule d’ammoniac, NH3, est une molécule commune en astrophysique ; elle est présente dans le milieu interstellaire, les comètes et les objets transneptuniens, ainsi que dans les atmosphères de Jupiter et Saturne. Elle est certainement la principale source de diazote (N2) dans l’atmosphère de Titan. D’une manière plus générale, la présence simultanée d’ammoniac et d’eau semble être une donnée essentielle pour comprendre l’origine des acides aminés, qui sont les briques élémentaires du vivant.

Dans le système solaire, la molécule NH3 aurait pu être préservée directement sous forme solide, dans des silicates d’ammonium ou encore dans de la glace d’eau, sous forme d’hydrates d’ammoniac. Mais des expériences récentesont montré qu’à basse température (typiquement en dessous de 200 K), NH3 pouvait aussi être piégée au sein de clathrates d’hydrates, formes très particulières de glace, dans lesquelles les molécules d’eau liées entre elles par des liaisons hydrogène constituent des cages stabilisées par l’incorporation de molécules de gaz.

Ce résultat expérimental a pourtant fait débat car NH3 était considérée jusqu’à présent comme un inhibiteur de la formation des clathrates ; il était de plus couramment admis que les molécules piégées dans les clathrates devaient nécessairement avoir un caractère hydrophobe marqué, afin ne pas détruire le réseau des molécules d’eau formant les cages.

 

  • Images d’un mélange eau+NH3 à 100 K pour deux teneurs différentes en NH3. Le cliché de gauche montre clairement la structure du clathrate hydrate d’ammoniac
  • (Clichés issus de simulations par la méthode de Monte Carlo dans l’ensemble grand canonique ; les atomes O,N,H sont représentés par des sphères respectivement rouges, bleues et blanches). Crédits : Balazs Fabian, Institut UTINAM

En simulant sur ordinateur le piégeage de molécules NH3 dans un clathrate d’hydrate, des scientifiques viennent de confirmer l’existence possible du clathrate hydrate de NH3 dans une gamme de pressions et de températures bien déterminée, compatible avec certaines conditions extra-terrestres. Toutefois, au-delà d’une certaine pression, le nombre de molécules de NH3 dans le système devient tellement important que la structure clathrate est détruite et se transforme en glace amorphe dans laquelle se retrouvent piégées les molécules d’ammoniac. Les calculs à l’échelle moléculaire mettent ainsi l’accent sur le rôle subtil que jouent les différentes conditions environnementales (pression, température, composition de la phase gaz) sur la stabilité du clathrate hydrate d’ammoniac.

Quoi qu’il en soit, en confirmant des résultats expérimentaux controversés, cette étude souligne le rôle que les clathrates hydrates d’ammoniac pourraient jouer dans la composition de certains objets du système solaire.

Comme le démontre les résultats de ces calculs, l’hypothèse de l’existence des clathrates d’ammoniac ne peut donc plus être d’emblée écartée des scénarios de formation du système solaire, ni dans la compréhension des mécanismes de formation des acides aminés dans les glaces du milieu interstellaire et des comètes, celles dont on pense aujourd’hui qu’elles auraient pu délivrer la vie sur notre planète.

Note(s): 

1- Shin et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2012, 109, 14785−14790

Source(s): 

Ammonia Clathrate Hydrates As Seen From Grand Canonical Monte Carlo Simulations. B. Fabian , S. Picaud, P. Jedlovszky, A. Guilbert-Lepoutre, O. Mousis, ACS Earth and Space Chemistry (2018), 9 mars 2018. DOI : 10.1021/acsearthspacechem.7b00133

Contact(s):
  • Sylvain Picaud, Institut UTINAM
    sylvain [dot] picaud [at] univ-fcomte [dot] fr, 03 81 66 64 78
  • Olivier Mousis, LAM (CNRS/Aix-Marseille Université)
    olivier [dot] mousis [at] lam [dot] fr, 06 60 85 33 92
  • Aurélie GUILBERT-LEPOUTRE, UTINAM
    aurelie [dot] guilbert-lepoutre [at] utinam [dot] cnrs [dot] fr, 03 81 66 69 21

La reprise des actualités du site est autorisée avec la mention "Source : Actualités du CNRS-INSU" et un lien pointant sur la page correspondante.