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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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exploratheque
du premier stage au premier emploi


Cassini, la descente finale
Fin de mission pour la sonde Cassini

Une mission exceptionnelle

Cassini est un projet  d'exploration spatiale très ambitieux, avec une sonde qui aura passé près de 20 ans dans l'espace. La sonde Cassini elle-même est la première à être mise en orbite autour de Saturne, dont les missions Voyager 1 et 2 avaient précédemment fourni des clichés alléchants. Cet orbiteur a ainsi pu effectuer de nombreuses révolutions autour de Saturne, l'une des quatre planètes du système solaire à posséder un système d'anneaux. L'origine de ces anneaux reste d'ailleurs un mystère, malgré l'observation approfondie qui a pu être en être faite par les instruments de Cassini.

Embarqué et largué par Cassini, le module Huygens, dont le développement a été confié aux Européens, a atterri en 2005 sur l'une des nombreuses lunes de Saturne, Titan. Ce satellite lointain présente des analogies avec la Terre, notamment son atmosphère dense de diazote et d'hydrocarbures, qui a permis du reste de ralentir la descente de l'atterrisseur au moyen d'un parachute. Elle semble avoir été modelée par des phénomènes d'érosion similaires à ceux que nous connaissons sur Terre. Des lacs et des rivières d'hydrocarbures ont pu être observés ; de plus le sous-sol de Titan pourrait également renfermer un vaste océan d'eau liquide. D'où l'intérêt des scientifiques en quête d'une éventuelle présence de vie. 

De nombreuses retombées

La moisson de données scientifiques qu'a déjà fournie Cassini est impressionnante : des gigaoctets de photographies, l'observation de la dynamique d'évolution de ses anneaux, de l'atmosphère et de ses perturbations gigantesques, des poussières, du champ magnétique. Cassini a montré que ces différents éléments interagissent étroitement.

Outre la conception de ce type de projet, la qualité du "pilotage" des sondes est également l'un des facteurs de leur réussite. En effet, les aléas, pannes et le déroulement de la mission impliquent de nombreuses prises de décision, pour optimiser en fonction des contraintes diverses (carburants, etc.). La descente en direction de Saturne, le Grand Finale, est le dernier morceau de bravoure de cette mission exceptionnelle : il s'agit d'éviter les satellites de Saturne, pour ne pas les contaminer et compromettre ainis une éventuelle exploration future et pour glaner le maximum de renseignements sur l'atmosphère de la planète. 

publié le 13 septembre 2017

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La rédaction de Sciences en Ligne
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