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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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Nucléosythèse et étoiles à neutrons
Confirmation de l'hypothèse de collisions d'étoiles à neutrons pour expliquer la formation du strontium

(C) NASA - Nébuleuse du Crabe, marquée par la présence d'une étoile à neutron
Mis à part quelques éléments légers comme l’hydrogène, l’hélium, le lithium… produits peu après le big bang, tous les noyaux atomiques naturels présents dans le tableau de Mendeleïev proviennent de réactions nucléaires au cœur des étoiles. Ceux dont le numéro atomique Z (nombre de protons) ne dépasse pas celui du nickel (Z=28) sont synthétisés par des réactions de fusion, qui libèrent de l’énergie. Ce dégagement d’énergie s’oppose à la gravitation qui tend à écraser l’étoile sur elle-même. Mais au-delà du fer/nickel, la fusion consomme de l’énergie. C’est la raison pour laquelle l’étoile s’effondre sur elle-même. Si elle est suffisamment massive (mais pas trop), elle se transforme en étoile à neutrons par pénétration des électrons dans les protons. L’effondrement suivi d’un rebond - mal compris mais extrêmement violent - correspond à ce qui s’appelle une supernova de type II. C’est lors de ce phénomène cataclysmique que de nombreux éléments plus gros que le nickel sont synthétisés, sachant que les astrophysiciens ont également imaginé d’autres mécanismes. Par exemple, l’abondance de l’élément strontium (Z=38) ne peut être expliquée en faisant appel seulement aux supernovæ. L’hypothèse la plus communément avancée pour rendre compte de cette abondance est la collision de deux étoiles à neutrons, phénomène baptisé « kilonova » ou « macronova ».

Justement, cette hypothèse vient d’être confirmée. En effet, l’étude du kilonova GW 170817 (17 août 2017) détecté notamment par les ondes gravitationnelles produites a révélé l’éjection d’une quantité de strontium égale à cinq masses terrestres. C’est par analyse spectrale que la présence de cet élément a été décelée. Si cela a pris plus de deux ans, c’est parce que son spectre d’émission/absorption est très mal connu. Il a donc fallu le déterminer en s’appuyant sur de la modélisation. Quoi qu’il en soit, cette mise en évidence est un grand pas rassurant effectué dans la compréhension de la nucléosynthèse.

Pour en savoir plus
https://www.universetoday.com/143836/astronomers-see-strontium-in-the-kilonova-wreckage-proof-that-neutron-star-collisions-manufacture-heavy-elements-in-the-universe/

Kamil Fadel
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