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Aimant au néodyme et verre de spin

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Domaines micrométriques et aimantation
Dans un morceau de fer, il existe des milliards de très petites régions micrométriques appelées « domaines magnétiques » composés de milliards d’atomes de fer pointant leur spin parallèlement, dans le même sens. Chacun de ces domaines est ainsi ...

Vers de nouvelles technologies de chargeurs

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Des composants indispensables

De nombreux appareils électriques fonctionnant sur piles ont besoin d’être chargés régulièrement. On emploie donc des accumulateurs électrochimiques. Ces derniers sont rechargeables un très grand nombre de fois, contrairement aux piles. Téléphones ...

Un micro-accélérateur de particules

Vue du tunnel du LHC - Auteur : Maximilien Brice, CERN

Des ondes électromagnétiques pour accélérer les particules

Les physiciens de l’infiniment petit emploient des accélérateurs pour communiquer aux particules de très grandes vitesses afin de produire des collisions énergétiques. Au CERN par exemple, ...

Tromper une caméra thermique

Caméras thermiques : « filmer la température »

Tout corps, en raison de sa température, émet par sa surface un rayonnement dont le spectre (fréquence ou longueur d’onde en abscisse, intensité en ordonnée) couvre théoriquement toute la gamme des ondes électromagnétiques, l’intensité de l’émission variant ...

Piles bêtavoltaïques au carbone 14 recyclé

Des piles « bêtavoltaïques »

Certains noyaux radioactifs, généralement ceux possédant trop de neutrons par rapport à leurs protons, transmutent un neutron en proton, électron et antineutrino. Cette réaction s’appelle la radioactivité bêta moins et s’écrit n -> p + e- + v. L’électron ...

Une forêt tropicale en Antarctique

Vue d'artiste de cette forêt (C) Alfred-Wegener-Institut, James McKay, Creative Commons licence C-BY 4.0
Un sol bien conservé

Des chercheurs de l'Institut Alfred-Wegener ont découvert un sol forestier du Crétacé très bien préservé dans les fonds marins proches du continent Antarctique. ...

COVID-19 : pistes thérapeutiques

© CDC/Dr. Fred Murphy/Sylvia Whitfield

La crise sanitaire qui touche actuellement le monde entier, avec l'épidémie de COVID-19 a déjà causé des dizaines de milliers de morts dans le monde. Les scientifiques se mobilisent pour contrer le plus rapidement possible le virus dévastateur. Traitements, vaccins, ...

La chimie ultrafroide

Les réactions chimiques, une histoire d’électrons

Lors d’une réaction chimique, des molécules appelées réactifs se rencontrent et forment des produits. Par exemple, lors d’une réaction bimoléculaire, deux réactifs A et B - atomes ou molécules - interagissent pour donner un produit C (ou plusieurs produits). Beaucoup moins fréquentes, il existe aussi des réactions monomoléculaires dans lesquelles une molécule M initiale se scinde en deux, ou bien ses atomes se redistribuent pour donner autre chose que M.

Une réaction chimique met toujours en jeu des électrons. Par exemple, dans une réaction bimoléculaire, A peut arracher un électron à B, ou les molécules peuvent mettre en commun un électron, le partager. De cette manière l’électron n’appartient ni à l’un, ni à l’autre mais aux deux. Cela crée une liaison entre A et B qui les rend « inséparables ». La liaison est alors dite « covalente ».

Souvent, un atome au sein d’une molécule va s’en séparer en défaisant une liaison covalente tout en engageant une nouvelle plus favorable, plus forte avec une autre molécule. Pour illustrer cela, prenons la réaction du dichlore Cl2 avec le dihydrogène H2 qui donne du HCl. L’atome chlore préfère engager une liaison avec un atome d’hydrogène qu’avec un atome de chlore. Il en de même pour l’hydrogène dont la molécule se défait pour se lier au chlore. La chimie est ainsi essentiellement une affaire de liaisons covalentes.

Refroidir pour mieux comprendre

Ces réactions sont partout présentes, de la respiration à la cuisine et à la photosynthèse en passant par toutes les industries chimiques… Comment au juste les liaisons covalentes se font-elles et se défont-elles ? En passant par quelles étapes, via quelles séquences ? Il s’agit là de questions dont les réponses sont mal connues. En effet, les chimistes connaissent bien le début et la fin de l’histoire, mais ce qui se passe entre est loin d’être maîtrisé, car cela ne dure que de l’ordre d’un millionième de milliardième de seconde ou femtoseconde (10-15s).

Pour y voir plus clair, il faut observer une réaction chimique au ralenti, c’est à dire à très basse température puisque la température est le reflet de la vitesse d’agitation atomique ou moléculaire. Cette étape vient d’être franchie par une équipe de l’université de Harvard aux USA et du laboratoire Aimé Cotton de l’université de Paris-sud.

La réaction mettait en jeu deux molécules de potassium rubidium, \( KRb \). La réaction s’écrit : \( 2 KRb \to  K_2 + Rb_2 \). Réalisée à 0,5 microkelvin, soit à peine au-dessus du zéro absolu (- 273,15°C), la durée de la réaction n’est plus la femtoseconde, mais de l’ordre de la microseconde soit un milliard de fois plus longtemps, une durée suffisamment longue qui a permis aux chercheurs d’observer l’état intermédiaire \( K_2Rb_2 \).

La chimie ultrafroide va permettre de mieux comprendre et mieux maîtriser les réactions et provoquer des réactions impossibles à température ambiante.

Publié le 09/04/2020

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Des réfrigérateurs à torsion
Une nouvelle méthode de réfrigération utilise les propriétés thermiques des matériaux élastiques

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 à effet de serre susceptibles d’être émis dans l’atmosphère, où ils contribuent au réchauffement climatique. L’industrie du froid s’efforce à employer des fluides moins problématiques, notamment en revenant à des solutions anciennes telles que l’ammoniac.

Face à ces enjeux économiques et industriels de premier plan, de nouvelles techniques de refroidissement sans impact sur l’effet de serre et dotées d’un meilleur rendement que les procédés actuels font également l’objet de recherches. Des chercheurs américains et chinois semblent avoir trouvé une piste prometteuse … dans les élastiques.

Du froid dans la torsion  

Pour comprendre le phénomène, une expérience très simple à réaliser s’impose Etirez rapidement un élastique un peu large (1 cm par exemple) puis, sans le relâcher, mettez-le immédiatement en contact avec vos lèvres très sensibles à la température. Vous percevrez un échauffement. En relâchant l’élastique vous sentirez un rafraîchissement. On parle d’échauffement et de refroidissement élastocaloriques. Connu depuis le début du XIXe siècle, ce comportement repose sur le fait que le caoutchouc est un polymère. Il est formé de très longues chaînes moléculaires qui s’enchevêtrent.  Avec une telle structure, un apport de chaleur aboutit à un raccourcissement et non à une dilatation, car en s’agitant davantage, les molécules se recroquevillent sur elles-mêmes et, comme une corde que l’on secouerait, la distance séparant leurs extrémités diminue. Lorsque l’élastique est relâché, il se raccourcit et emprunte de la chaleur aux lèvres, ce qui provoque un rafraîchissement. Cependant, pour obtenir une bonne chute de température, l’étirement doit être très important, ce qui n’est pas commode. Le moyen de contourner ce problème est passé par l’étude du comportement des matériaux - polymères ou non - lorsqu’ils sont enroulés voire surenroulés sur eux-mêmes puis désenroulés.

C’est justement en effectuant des recherches sur des fibres naturelles ou cristallisées de nylon et de polyéthylène, mais aussi sur des fils à mémoire de forme en nickel-titane, que des chercheurs américains et chinois ont montré que dans certains cas, les cycles de torsions et détorsions correctement menés permettent d’obtenir d’importantes chutes de température allant de 15 à 20°C. La découverte de ce phénomène baptisé twistocalorique pourrait aboutir à la réalisation de nouveaux réfrigérateurs, d’autant qu’ils devraient posséder un meilleur rendement que les systèmes de réfrigération classiques.

 

Kamil Fadel
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