Lorsqu'un corps est à l'état liquide à une température inférieure à son point de fusion (de congélation, de cristallisation), on dit qu'il est en état de surfusion. Le phénomène alors observé est un retard à la transition de phase (la transition est le passage brusque d'un état physique stationnaire à un autre à une température donnée sous une pression constante et connue). Il est évidemment nécessaire que le corps étudié ne se décompose pas avant le changement d'état (à l’inverse de la bûche de bois qui ne s’évapore pas sans se décomposer en eau, minéraux...). La surfusion est un cas particulier de métastabilité. Lorsqu'un liquide est en surfusion, on dit qu'il est en équilibre métastable (entre liquide et solide) qui se distingue des autres états, stables, connus (tels que liquide, gazeux, solide) ; ce liquide devrait être passé à l'état solide mais un retard du à l'absence de germe de cristallisation le conserve à la phase liquide. Ce phénomène ne peut avoir lieu qu'avec un corps très pur qui ne contient pas de ces germes cristallins. Par ailleurs, ce phénomène n'est pas extraordinaire, on sait que les propriétés des corps changeant d'état physique subissent des discontinuités mais celles-ci sont en générale très peu visibles, sauf bien sûr dans les systèmes hautement instables que nous étudierons plus loin.

Illustrons cette explication d'un exemple simple et qui plus est, reproductible chez soi. Isolons de l'eau pure (déminéralisée) de l'air ambiant, soit en la recouvrant d'une couche d'huile, soit en la diluant en gouttes au milieu d'une masse liquide de même densité. Placez votre système dans un congélateur, l'eau va alors entrer en surfusion. Et l'on peut ainsi abaisser la température jusqu'à -15°C sans que l'eau cristallise. Le principe de formation du verglas est identique à celui que je viens d'énoncer. C'est bien sûr le même phénomène qui affecta la crème glacée de l'ami à Erasto. L'eau n'est pas la seule à pouvoir surfusioner, les métaux, certains mélanges isotopiques, le phosphore et la glycérine le peuvent aussi.

L'état de surfusion (qui est par essence instable) ne peut perdurer ainsi indéfiniment, il cesse à une température dite de nucléation, en dessous de laquelle le liquide cristallise même en l'absence de tout germe de cristallisation et passe alors à un état stable : le solide. Cette nucléation ne se produit que par une orientation "chanceuse" des molécules dans l'espace et dans le temps de façon à obtenir la structure cristalline de la glace. Mais au dessus de cette température dite aussi point de Schaefer, la surfusion peut cesser grâce à la présence d'un germe qui peut être un cristal du corps manipulé, celui d'un corps isomorphe (ce corps et le liquide possèdent des analogies chimiques, des ions de même valence et des dimensions voisines), ou bien une impureté. La surfusion cesse également si le liquide est soumis à une action mécanique (vibrations du réfrigérateur). Il existe donc deux types de gel de l'eau : la nucléation hétérogène en présence de particules de forme cristallographique convenable, et la nucléation homogène (congélation spontanée) de l'eau très pure au point de Schaefer.

Reprenons, si vous le voulez bien, l'exemple de l'eau : dans les gouttelettes de certains nuages (elles sont d'une taille de l'ordre de quelques micromètres et 1L de nuage peut contenir cent mille à cinq millions de gouttelettes), l'absence de germes de congélation explique des surfusions intenses, qui peuvent avoisiner -41°C ! Au delà, nous l'avons vu, survient toujours (lorsque l'on dépasse cette température de nucléation) une congélation spontanée appelée congélation homogène. Cette solidification se fait avec une vitesse plus ou moins grande, et la température s’élève brusquement (temps si court qu’il n’a jamais pu être mesuré) jusqu'à atteindre celle de fusion normale de l'eau, c'est-à-dire 0°C. Notons que le degré de surfusion renvoie à la différence entre la température effective de congélation de l'eau (ici : -41°C) et son point de congélation (zéro degré). Plus le degré de surfusion est important, plus la surfusion est intense.