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Physique de l’espresso

Une recette ancestrale

Dans les grandes lignes, depuis son invention en 1884, la préparation d’un espresso consiste à forcer de l’eau chaude à passer assez rapidement à travers du café moulu très fin. Plus précisément, la température de l’eau ...

Des panneaux solaires bifaces

Les panneaux solaires : du silicium « dopé »

Dans un panneau solaire, l’énergie lumineuse est convertie en courant électrique, grâce à l’effet photoélectrique où un photon arrache un électron à un atome. Pour cela, il faut ...

Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau

Lorsque l’eau s’écoule dans un tuyau, ce sont les interactions entre ses molécules qui la freinent. A l’inverse, lorsque des électrons s’écoulent dans un fil conducteur, c’est avant tout le fil lui-même qui les freine. Une équipe de chercheurs britanniques et israéliens, ...

Les cristaux temporels

Réseaux cristallins associés à l'eau. by Psi?edelisto, based on version by Dbuckingham42 - Own work, CC BY-SA 4.0,

Cristal et brisure de symétrie 

Un cristal est un état de la matière dans lequel les atomes sont ordonnés selon une périodicité spatiale ...

Du ribose dans les météorites

Le ribose, sucre vital

L’ADN - ou acide désoxyribonucléique - est formé en particulier d’un sucre, le désoxyribose, lui-même un dérivé du ribose (C5H10O5). Plus précisément, dans le désoxyribose (C5H10O4) un groupement hydroxyle (-OH) du ribose ...

Un nouveau comportement des électrons

Cooper pairs - Tem5psu CC BY-SA
Isolants, conducteurs et semi-conducteurs

Le comportement d’un solide cristallin relativement au courant électrique, peut être celui d’un isolant, d’un semi-conducteur, d’un métal ou d’un supraconducteur. Dans les isolants, ...

Interférences et biomolécules

CC BY-SA 4.0 Alexandre Gondran
Les expériences d’interférences mettant en jeu des molécules de plus en plus grosses et lourdes révèlent que les lois de la mécanique quantique sont applicables bien au-delà du monde de « l’infiniment petit » ...

Anomalie de dilatation thermique

By Simon Mer - Own work, CC BY-SA 4.0
Généralement, les matériaux se dilatent lorsqu’ils sont chauffés. La raison en est qu’une élévation de température correspond à une augmentation de l’agitation des atomes, or cette agitation n’est pas symétrique. En effet, deux atomes liés au repos sont espacés d’une distance optimale d’un point de vue énergétique, et ont beaucoup plus de mal à se rapprocher très près, que de s’éloigner l’un de l’autre. Cela résulte du fait que la force répulsive croit extrêmement vite si l’on cherche à diminuer la longueur de liaison, alors que la force attractive croit très lentement lorsqu’on tente d’augmenter cette longueur. En somme, la liaison interatomique agit comme « ressort » qui se comprime plus difficilement qu’il ne s’étire. Par conséquent l’agitation thermique a plutôt tendance à augmenter les distances interatomiques, donc le volume.

Pourtant, il existe des exceptions, comme l’eau lorsqu’elle gèle et qui est d’ailleurs l’exemple le plus courant. Plus précisément, la densité maximale de l’eau se situe vers 4°C, ce qui signifie que le liquide voit son volume diminuer lorsque la température grimpe de 0°C à 4°C. Sur cette plage de température, l’eau possède un « coefficient de dilatation négatif ». Certains éléments du tableau périodique se comportent également de cette manière, leur congélation provoquant une diminution de leur densité, le solide flottant sur le liquide. C’est le cas du silicium, du bismuth, du gallium, du germanium, du plutonium et de l’antimoine. Il s’agit là d’exemples d’anomalie de dilatation ne concernant qu’une petite plage de température ou n’ayant lieu que lors du changement de phase liquide - solide. Mettons l’eau liquide et les changements de phase de côté et intéressons-nous à des solides cristallins.

Existe-t-il de tels matériaux ayant un coefficient de dilatation négatif ? La réponse est oui et cela est bien mystérieux. Un des exemples les plus étudiés est le tungstate de zirconium (ZrW2O8) qui exhibe cette anomalie entre -273°C et 777°C. Un autre est le trifluorure de scandium (ScF3) entre -263°C et 827°C. D’autres exemples sont également connus, comme certains silicates, cyanures, les nanotubes de carbone, la glace elle-même quand elle est refroidie à – 200°C… Les études récentes du trifluorure de scandium (ScF3) commencent à lever le voile sur le mystère du coefficient négatif des solides cristallins. La distance entre des atomes liés ne diminue pas, mais c’est l’agitation de la structure cristalline qui permet une réduction de volume comme sur le schéma ci-dessous. Il est fort probable que toutes les autres anomalies puissent s’expliquer selon ce même modèle.

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Polluants de l'air, une menace pour la santé
Les polluants chimiques d'origine humaine sont un véritable problème de santé publique, pas seulement lors des pics de pollution, mais en continu et sur le long terme.

Les polluants chimiques, un enjeu de santé publique majeur

En plus d'avoir des effets sur l'environnement, notamment par l’intermédiaire des pluies acides, la pollution de l’air constitue un danger pour la santé humaine. Chaque jour, environ 15 000 litres d’air transitent par nos voies respiratoires. Les jeunes, les personnes âgées et les populations défavorisées en souffrent le plus, mais cette pollution affecte tout le monde, aussi bien en ville qu'à la campagne, dans les pays développés et ceux dits en voie de développement. Selon l’Agence européenne pour l’environnement, la pollution de l’air serait responsable de 467 000 morts prématurées chaque année en Europe.

Les particules en suspension pénètrent dans le système respiratoire, les plus fines d'entre elles pouvant même rejoindre la circulation sanguine. La dégradation de la qualité de l’atmosphère augmente le risque d’accident vasculaire cérébral, de cardiopathie, de cancer du poumon, de certaines maladies neurodégénératives et de maladies respiratoires aiguës comme l’asthme. En provoquant des irritations au niveau du nez et des yeux, elle est aussi liée à l'augmentation du nombre d'accidents de la route. Dans certaines villes, l’exposition à cette pollution équivaut à un tabagisme passif de six cigarettes par jour. La pollution de l'air intérieur, suivant les méthodes de chauffage et de cuisson des aliments, pose également problème.

Des particules en suspension dans l'atmosphère

Les particules en suspension sont constituées d'un mélange de substances organiques et minérales, sous forme solide ou liquide. On trouve parmi elles les sulfates, les nitrates, l’ammonium, le chlorure de sodium, le carbone, les matières minérales et l’eau. Elles proviennent de sources naturelles, comme le sel de la mer ou les poussières des éruptions volcaniques, des feux de forêts et des déserts, ou proviennent d’activités humaines. En moyenne, les aérosols d'origine anthropique constituent environ 10 % de la quantité totale d'aérosols présents dans l'atmosphère. Les matières particulaires peuvent être classées selon leur diamètre. Ainsi, les PM10 ont un diamètre inférieur à 10 micromètres. Les PM2,5 sont qualifiées de particules fines, les PM1,0 de particules très fines et les PM0,1 de particules ultra-fines ou nanoparticules.

Les processus de transformation, de transport et d'élimination des particules polluantes sont sous l'influence de la chimie de l'atmosphère. Suivant les conditions météorologiques, elles peuvent s'accumuler dans des masses d'air stagnantes. Les particules primaires sont émises directement dans l’atmosphère, alors que les particules secondaires sont formées par des réactions chimiques de polluants gazeux dans l’atmosphère. Le chauffage résidentiel au bois, la combustion de certaines industries ou le trafic, notamment des véhicules roulant au diesel, émettent du dioxyde d'azote sous forme gazeuse. Sous l'effet de composés présents dans l'atmosphère, celui-ci peut se transformer en acide nitriques. Les activités agricoles sont responsables de la présence d'ammoniac, certaines industries émettent du dioxyde de soufre, tandis que les centrales à charbon contribuent à la présence de sulfates.

Des recommandations pour mieux protéger la santé

Les pics de pollution correspondent à des dépassements de seuils réglementaires d’alerte, définis en 2008 par l’Union européenne et transposés dans le droit français fin 2010. En plus d'occulter la question de la pollution quotidienne, ces valeurs seuils ne sont pas assez protectrices. Pour les PM2,5 par exemple, elle est de 25 μg / m3 grâce à la législation européenne, qui deviendront 20 μg / m3 dès 2020, alors que l’OMS recommande un seuil annuel à 10 μg / m3. Les PM1,0, elles, ne sont pas réglementées. De plus, outre l'indicateur de la concentration massique des particules en suspension, la connaissance de leur composition chimique est aussi un enjeu scientifique et politique. Dans un avis publié le 23 mai 2017, l'Anses (Agence nationale de sécurité sanitaire de l’alimentation, de l’environnement et du travail) recommande ainsi d’abaisser la valeur seuil annuelle pour les PM2,5 au niveau des recommandations de l'OMS, ainsi que d’introduire une valeur seuil journalière pour ce polluant.

L'agence souligne également l’importance de poursuivre les efforts dans la mise en œuvre de politiques publiques de long terme en faveur de l’amélioration de la qualité de l’air. Dans cette optique, la réduction de la formation de particules secondaires implique le développement des transports collectifs et des transports doux, la modification des pratiques d'épandage et d'élevage, le renouvellement des dispositifs de chauffage au bois et un investissement dans l'isolation des logements.

En savoir plus

L’Anses recommande de poursuivre les efforts pour améliorer la qualité de l'air ambiant, l'avis de l'ANSES

Les particules fines sont dangereuses, pas seulement pendant les pics de pollution, sur The Conversation

Qualité de l'air ambiant et santé, aide-mémoire de l'OMS

Accord sur les émissions de HFC, sur Sciences en ligne

Arthur Jeannot
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