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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 panneaux solaires bifaces
Les cellules photovoltaïques à deux faces permettent d’augmenter le rendement en étant éclairées de part et d’autre.

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 faire tomber la lumière sur un matériau astucieusement conçu. Dans les grandes lignes, un tel matériau est formé par la présence côte à côte d’un semi-conducteur-N et d’un semi-conducteur-P. De quoi s’agit-il ? Un métal possède des électrons libres ou « électrons de conduction » qui en font un conducteur. Au contraire, un isolant n’en possède pas, car tous ses électrons sont engagés dans des liaisons covalentes. On parle « d’électrons de valence ». Entre ces deux extrêmes, il y a les semi-conducteurs dont l’exemple type est le silicium.

Cet élément appartient au groupe IV du tableau périodique et possède ainsi 4 électrons de valence. Il engage donc 4 liaisons avec ses voisins. Un cristal parfait de silicium ne possède donc pas d’électron de conduction. Mais on peut le rendre assez conducteur en remplaçant astucieusement certains atomes de silicium. Ce remplaçant peut être le phosphore, un élément du groupe V. Dans du silicium ainsi « dopé », le cinquième électron de la couche électronique externe du phosphore est en surplus. Ne pouvant s’engager dans aucune liaison avec ses quatre atomes voisins de silicium, il peut devenir libre et participer à la conduction. L’électron étant négatif, on parle de semi-conducteur-N.

On peut aussi doper le silicium avec du Bore, élément du groupe III. Cette fois, il n’y aura pas surplus mais localement un manque d’électron, assimilable à un « trou positif » qui pourra se déplacer comme dans un jeu de taquin et participer à la conduction électrique. C’est un semi-conducteur-P.

Un champ électrique dans le panneau

Une frontière N-P est déséquilibrée, car riche en électrons côté N et en trous côté P. Aussi, un équilibre spontané est atteint par migration d’électrons vers P, et de trous vers N où ils se combinent en ce qui s’appellent des « excitons ». Cela rend P légèrement négatif et N légèrement positif, si bien qu’apparaît un champ électrique E orienté de N vers P. Par effet photoélectrique, la lumière sépare alors les excitons en électrons. Mais en raison de son orientation, E ramène les électrons vers N et les trous vers P, recréant le déséquilibre. Le système retrouve l’équilibre grâce à un circuit extérieur qu’empruntent électrons et trous pour rejoindre P et N respectivement. A la lumière, la jonction PN agit donc comme une pile, appelée photovoltaïque.

Augmenter le rendement : panneaux bifaces

Les panneaux de ce type fonctionnent par leur face orientée vers la lumière. Mais deux chercheurs de l’Université de Purdue (Indiana, USA) viennent de montrer qu’il est possible d’augmenter leur rendement de 15 à 20% avec des panneaux laissant passer la lumière pour récolter l’énergie lumineuse renvoyée par la surface (pierre, végétation…) habituellement à l’ombre, située derrière le panneau. La nouvelle génération de panneaux solaires sera donc biface.

Kamil Fadel
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