Observer de l’eau sous forme liquide à des températures négatives peut sembler surprenant, mais ce phénomène est bien connu des scientifiques. Appelé surfusion, il a été mis en évidence dès 1724 par Gabriel Fahrenheit.
Lorsque l’eau est extrêmement pure et dépourvue de germes de cristallisation, elle peut rester liquide jusqu’à environ –40 °C. Ce comportement est notamment observé dans les fines gouttelettes constituant les nuages d’altitude. Toutefois, cet état demeure instable : la moindre perturbation peut provoquer une cristallisation rapide. Cette limite de –40 °C peut cependant être repoussée lorsque l’eau est confinée dans des espaces très restreints, tels que des nanopores. En effet, la formation de glace s’accompagne d’une augmentation de volume, ce qui génère une pression supplémentaire dans ces pores et retarde la solidification. Ce phénomène est décrit par la loi de Gibbs-Thomson, qui relie la température de congélation à la taille des pores : ainsi, l’eau gèle autour de –6 °C dans des pores de 10 nm, mais peut rester liquide jusqu’à environ –60 °C dans des pores de 1 nm.
C’est précisément ce comportement qu’a mis en évidence l’équipe IRM pour l’ingénierie, grâce à des mesures de cryoporométrie par résonance magnétique nucléaire (RMN). Cette technique permet de caractériser la distribution des tailles de pores dans des matériaux nanoporeux. Elle repose sur l’utilisation d’un appareil de RMN à bas champ, sensible aux phases liquides mais insensible aux phases solides, ce qui permet de suivre la quantité d’eau restant liquide à mesure que la température diminue.
La figure ci-dessous illustre une mesure d’atténuation des signaux d’écho transverse (relaxation T2-RMN, méthode CPMG), réalisée sur une poudre de charbon saturée en eau et progressivement refroidie jusqu’à –60 °C.
À –58,2 °C, une faible décroissance du signal RMN est encore détectée au début de la séquence CPMG (zone entourée en rouge), révélant la présence d’une infime quantité d’eau liquide confinée dans les pores les plus fins de l’échantillon, de l’ordre du nanomètre.
Ces mesures ont été réalisées par Minchuan Jiang, doctorant co-encadré par Tien Dung Le et Irina Panfilov, avec l’aide de Sébastien Leclerc et Didier Stemmelen.
Référence scientifique :
Transport in Porous Media (2026) 153:51
Pore-Size Distribution of Coal Characterized by NMR Relaxometry and Cryoporometry
Minchuan Jiang, Tien Dung Le, Didier Stemmelen, Sébastien Leclerc, Irina Panfilov
► https://doi.org/10.1007/s11242-026-02304-6