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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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Les électrons peuvent s’écouler comme l’eau
La théorie a enfin été vérifiée par l’expérience : à très basse température, les électrons « s’écoulent » dans un conducteur comme l’eau dans un tuyau.

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, en annulant la résistance du fil, a réussi à faire « s’écouler » des électrons comme de l’eau.

Deux écoulements de natures différentes

Pour une différence de pression donnée, le débit de l’eau diminue avec le diamètre du tuyau dans lequel elle s’écoule. De même, pour une différence de potentiel donnée ou tension (voltage), l’intensité du courant électrique - qui correspond à un débit d’électron mesuré en ampère - diminue avec le diamètre du fil. Cependant, alors que le débit hydrodynamique (ie le débit d’eau) varie comme la puissance quatrième du diamètre, la résistance électrique varie comme son carré. Autrement dit, quand on augmentera la taille du tuyau, le débit augmentera plus vite pour l’eau que pour l’électricité.

La raison de cette différence est que le profil des vitesses d’écoulement est n’est pas le même. L’écoulement en hydrodynamique est parabolique : la vitesse d’écoulement est plus faible le long des bords du tuyau, maximale au centre le long de l’axe.  A l’inverse, en électricité, tous les électrons dérivent avec la même vitesse moyenne, qu’ils soient sur les bords ou au centre.

Ce comportement différent des courants (eau et électrons) résulte du fait que la résistance que rencontrent les électrons lors de leur mouvement provient essentiellement du conducteur lui-même. En effet, le réseau cristallin n’est jamais parfait, si bien que de très nombreux obstacles - défauts et impuretés - gênent le mouvement libre dit « balistique » des électrons. Aussi, dans un conducteur sans défaut, la résistance serait extrêmement faible. Elle ne serait cependant pas nulle, car au-dessus du zéro absolu (ou zéro Kelvin, - 273,15°C) les inévitables vibrations réseau perturbent également le mouvement des électrons.

A l’opposé, la résistance hydrodynamique provient essentiellement de la viscosité, c’est-à-dire des frottements internes de l’eau. La très fine couche d’eau immobile, collée au bord intérieur du tuyau, appelée « couche limite », freine la couche plus interne, laquelle en fait de même avec la couche voisine et ainsi de suite. Cela conduit au profil parabolique des vitesses, dit « de Poiseuille ».

Une expérience d’écoulement à très basse température

En temps normal, c’est-à-dire dans un réseau ordinaire à température ambiante, l’interaction des électrons entre eux – qui correspond à la viscosité - est totalement négligeable devant la résistance du fil électrique. En revanche, dans un réseau parfait à basse température, elle ne l’est plus, si bien que la théorie prévoit un écoulement hydrodynamique des électrons.

Kamil Fadel
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