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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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du premier stage au premier emploi


Ice memory, conserver la mémoire des glaciers
Hier dans les Alpes, aujourd'hui dans les Andes, les scientifiques se mobilisent pour créer un patrimoine glaciaire mondial légué aux générations futures.

La science des glaces et le climat

Les glaciers représentent les seuls enregistrements naturels directs des variations des propriétés de l'atmosphère au cours du temps. La présence d'impuretés issues de cette atmosphère ancienne, telles que des poussières ou des aérosols, donne des informations sur des phénomènes géologiques, géochimiques et biologiques du passé, parfois du passé proche comme dans le cas des polluants d'origine anthropique. Grâce à l'analyse de la proportion des différents isotopes des molécules d'eau, les scientifiques peuvent estimer les températures et les conditions de précipitation lors de la formation de la glace. Les particules emprisonnées dans la glace fixent également des bactéries et des virus, dont l'évolution du génome sera sans doute étudié avec le développement de nouvelles techniques d'analyses.

Dans le cas des glaciers de montagne, la glace présente en profondeur, dans la calotte glaciaire, peut atteindre un âge de plusieurs millénaires. Ce patrimoine est précieux pour la climatologie, plus à travers la paléoclimatologie, qui accèdent à des données anciennes permettant de comprendre les changements environnementaux actuels et d'anticiper leurs évolutions. Malheureusement, l’augmentation des températures conduit au recul des glaciers, voire à leur disparition pour certains. Surtout, avec la fréquence plus élevée d'événements de température positive en haute altitude, l'eau de fonte créée peut percoler à travers les couches supérieures de neige et ainsi altérer la composition chimique des strates de glace plus basses.

La deuxième expédition du projet Ice Memory

Afin de faire face à la disparition de ces enregistrements ou à la perte de leur qualité, le projet Ice Memory vise à forer des dizaines de carottes de glace patrimoine, issues des glaciers les plus fragiles, pour les mettre à disposition de la communauté scientifique. En août 2016, une première expédition s'est déroulée au Col du Dôme, dans le massif du Mont-Blanc, un glacier culminant à 4 300 mètres et permettant de couvrir des échelles de temps de 150 ans. La deuxième expédition s'est terminée le 18 juin 2017, dans le glacier de l'Illimani, en Bolivie. À 6 300 mètres d'altitude, le projet ne pouvant s'appuyer sur l'aide des hélicoptères, le transport de l'équipement et des découpes issues du carottage est assuré par une vingtaine de guides de haute-montagne et de porteurs boliviens.

Les trois carottes de l'expédition alpine, bientôt suivies des trois carottes de l'expédition bolivienne, sont stockées dans un entrepôt frigorifique à côté de Grenoble. Une carotte de chaque lot sera analysée à l'IGE (laboratoire de l’Institut des Géosciences de l’Environnement) de Grenoble en 2019, de manière à constituer une base de données des traceurs chimiques accessibles avec les technologies actuelles. À partir de 2020, les autres seront stockées dans une cave creusée sous la neige au voisinage de la base franco-italienne Concordia, sur le haut plateau antarctique qui connaît des températures inférieures à -50°C. Entre-temps, les expéditions continueront, comme sur le glacier du Colle Gnifetti, à la frontière entre l’Italie et la Suisse, des archives permettant de remonter près de 4 000 années dans le passé.

En savoir plus

Le projet Ice Memory, sur le site de la Fondation Université Grenoble Alpes

La plate-forme et la page Facebook d'Ice Memory, pour suivre l'expédition

Projet Ice Memory : deuxième expédition sur le glacier de l'Illimani, le communiqué de presse du CNRS

Les glaces du Mont-Blanc à l'abri en Antarctique, l'article du CNRS à l'époque de le première expédition

Structure d'un glacier, sur Sciences en ligne

Arthur Jeannot
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