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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. ...

Nucléosythèse et étoiles à neutrons

(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 ...

Des réfrigérateurs à torsion

Impératifs environnementaux

Près de 20% de l’énergie électrique produite dans le monde est consommée par les climatiseurs, réfrigérateurs et congélateurs. De plus, ces machines frigorifiques utilisent des fluides frigorigènes dont la plupart sont des gaz ...

Les batteries au lithium pour un Nobel

De la petite électronique à la voiture électrique, la pile lithium-ion - non rechargeable - et surtout l'accumulateur - rechargeable - ont envahi notre quotidien. Sans cette technologie lithium-ion, téléphones mobiles, tablettes et autres appareils nomades n’existeraient pas ou seraient ...

Du champagne supersonique

Physique du bouchon de champagne

Tout le monde le sait, lorsqu’une bouteille de champagne est débouchée, le bouchon est souvent violemment propulsé… ce qui peut être dangereux s’il percute l’œil. La raison pour laquelle le bouchon saute à environ 50 km/h vient du fait qu’une bouteille de champagne contient 8,8 g de dioxyde de carbone (CO2) soit 0,2 mole, dont l’essentiel est dissout dans le liquide, le reste se trouvant sous pression dans le goulot, en équilibre avec le CO2 dissout. A 20°C, la pression dans le goulot vaut 7 fois la pression atmosphérique, tandis qu’à 30°C, elle lui est 10 fois supérieure. Le bouchon est donc plus fortement poussé vers l’extérieur que l’air ambiant à la pression atmosphérique le pousse vers l’intérieur. Aussitôt après l’expulsion du bouchon, un « nuage » de condensation apparaît au-dessus du goulot. En effet, lors de son expansion, le CO2 pousse le bouchon vers l’extérieur et lutte contre la pression atmosphérique, si bien que l’énergie qu’il dépense pour effectuer ce travail se traduit par une chute de température, le gaz n’ayant pas le temps d’équilibrer sa température avec le milieu ambiant par échange de chaleur : la détente s’effectue de manière adiabatique (sans échange de chaleur). La chute de température provoque la condensation de la vapeur d’eau en liquide et même solide avec apparition de fines gouttelettes et de cristaux. La température après détente est plus basse lorsque la pression initiale est plus importante, c’est-à-dire lorsque la température initiale est plus élevée. Comme la température peut chuter à -90°C, le CO2 peut lui-même geler.

Du nouveau !

C’est en étudiant attentivement ce phénomène que les physiciens français Gérard Liger-Belair, Daniel Cordier et Robert Georges du CNRS viennent de découvrir une chose surprenante qui a faut l’objet d’une publication (Liger-Belair et al. Sci. Adv. 2019; 5 : eaav5528 20 Septembre 2019) : l’expansion du CO2 s’effectue de manière supersonique (c'est-à-dire plus rapide que 340 m/s) avec formation de ce qui s’appelle un « disque de Mach »… qu’il ne faut confondre avec un « cône de Mach », lequel apparaît lorsqu’un objet - comme un avion par exemple ou une balle - avance à vitesse supersonique. Les disques de Mach sont des ondes de choc bien visibles dans les jets des réacteurs d’avions supersoniques. Le jet de plusieurs mètres de long comporte des stries régulièrement espacées : ce sont les « disques de Mach » appelés aussi en anglais « shock diamonds ». À l’aide d’une caméra ultrarapide, les chercheurs ont pu photographier l’apparition d’un disque de Mach et son évolution au cours du temps. Comme quoi, il y a encore de la physique à découvrir dans une simple bouteille de champagne.

 

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Anomalie de dilatation thermique
Dans certains cas tel celui de l'eau gelée, on constate une dilatation quand la température décroît

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.

Kamil Fadel
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