L'eau présente un très grand nombre d'anomalies physico-chimiques en raison de sa structure moléculaire. Elle peut, par exemple, être maintenue liquide jusqu'à -38 °C à pression atmosphérique (en surfusion) mais la moindre sollicitation externe peut provoquer sa cristallisation. C'est à la fois une contrainte forte pour la cryoconservation de systèmes biologiques et une difficulté expérimentale pour étudier cet état…

L'ajout de glycérol permet d'obtenir de l'eau en surfusion à des températures encore bien plus basses. Ce composé visqueux qui retarde la cristallisation de l'eau permet d'étudier la structure de l'eau surfondue entre -136 °C et 0 °C, où -136 °C est la température de transition vitreuse Tg du mélange eau-glycérol.

Des chercheurs du Laboratoire Léon Brillouin (LLB) et leurs partenaires ont étudié un mélange eau-glycérol dans ces conditions. Un de leurs objectifs était de tester l'hypothèse de la coexistence de deux phases liquides du mélange eau-glycérol, de haute et basse densité respectivement.

• Ils ont sondé, par diffusion de neutrons polarisés, la structure de différentes solutions eau-glycérol, à l'aide du diffractomètre D7 à l'Institut Laue-Langevin, puis G44 au LLB. La cinétique de cristallisation de l'eau à différentes températures a pu être déterminée. Même en-dessous de la transition vitreuse T_g d'une solution eau-glycérol de fraction molaire 0,18, la cristallisation de l'eau pure reste possible sur une échelle de temps de l'ordre de 10 heures.
• L'étude des propriétés dynamiques par diffusion quasi-élastique de neutrons par écho de spin sur l'instrument MUSES du LLB, complétée par des mesures du coefficient de diffusion par RMN, a permis aux chercheurs d'écarter l'existence d'une transition liquide-liquide de la solution eau-glycérol, consécutive à une transition liquide-liquide sous-jacente de l'eau.
• Les cinétiques de cristallisation de différentes solutions aqueuses suivent la même loi d'échelle que celle de l'eau pure (si l'on rapporte la température à T_g). Cette règle empirique permet d'estimer la plus basse température à laquelle la cristallisation de l'eau pure peut se produire, qui est de l'ordre de -149 °C.

Ces expériences leur ont permis de mieux connaître la loi régissant la taille, la nature (cubique et/ou hexagonale), la forme des cristallites et la fraction de glace formée et devraient contribuer à la conception de mélanges cryo-protecteurs plus performants. L'impossibilité d'éviter toute cristallisation des solutions eau-glycérol indique notamment que l'ajout d'autres produits (polymères par exemple) inhibiteurs de recristallisation de la glace sont nécessaires.