Sciences

Le sel de cuisine défie les règles de la chimie à haute pression

ActualitéClassé sous :chimie , sel , synchrotron

On sait qu'à hautes pressions, l'hydrogène devient un métal conducteur. Des chercheurs viennent de confirmer que même du sel de cuisine ordinaire devient exotique en se transformant en d'autres matériaux à plus de 200.000 atmosphères. Voilà de quoi rendre encore plus prudents les géophysiciens qui cherchent à pénétrer les mystères de l'intérieur des planètes et, à plus long terme, des exoplanètes.

Une représentation de la structure du NaCl3 obtenue à partir du sel de cuisine à plus de 200.000 atmosphères dans une cellule à enclumes de diamants. Les atomes de chlore (Cl) sont en vert et ceux de sodium (Na) en violet. Ce sont surtout les fonctions d'onde pour les électrons dans les liaisons chimiques qui ont été représentées avec certains atomes aux sommets du cube et d'autres sur les faces. © Artem Oganov, université d’État de New York à Stony Brook

Une équipe internationale de physiciens vient de publier dans Science les résultats de travaux qui auraient sans aucun doute intéressé Percy Williams Bridgman (1882-1961), l'un des pionniers de la physique des hautes pressions. En mettant au point une technique permettant de soumettre des échantillons de matière à des pressions dépassant 100.000 atmosphères, le physicien a fait des découvertes qui lui ont valu le prix Nobel de physique de 1946. On peut citer par exemple celle de l'existence de nouvelles phases de la glace.

On lui doit surtout l'idée des cellules à enclumes, qui ont permis de faire des expériences concernant l'état des roches à l'intérieur de la Terre ou de la matière dans le cœur des planètes géantes comme Jupiter. Les cellules à enclumes de Bridgman étaient initialement composées de carbure de tungstène. Elles ont pavé la voie aux cellules à enclumes de diamant, que l'on utilise aujourd'hui de façon routinière pour les expériences de physique à haute pression.

Le prix Nobel de physique 1946 Percy Williams Bridgman (1882-1961) a ouvert la voie à l'étude de la matière à haute pression à l'intérieur des planètes. Il a eu comme étudiants Robert Oppenheimer, le grand géophysicien Francis Birch et le futur prix Nobel de physique John Hasbrouck van Vleck. On le considère comme l'un des théoriciens les plus influents de l'opérationnalisme en épistémologie. © Fondation Nobel

Enclumes de diamant et synchrotron à rayons X

L'équipe de physiciens a utilisé ces cellules à enclumes de diamant pour porter du simple sel de cuisine à une pression de plus de 200.000 atmosphères et à une température de 2.000 K à l'aide de faisceaux laser (pour mémoire, la pression au centre de la Terre est évaluée à 3,6 millions d'atmosphères et sa température à 6.000 K). Les caractéristiques des matériaux obtenus dans ces conditions ont été analysées à l'aide de la méthode de diffraction des rayons X, comme les chercheurs l'expliquent dans l'article qu'ils ont mis en ligne sur arxiv. Pour cela, ils ont utilisé une ligne de lumière du synchrotron Petra III du Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron, synchrotron allemand à électrons). Le but de ces expériences était de vérifier les calculs théoriques faits sur ordinateur par l'équipe que dirige un physicien du solide russe bien connu pour ses travaux sur le bore et le sodium, ou encore sur le germane : Artem Oganov.

Une vue de Petra III, l'une des sources de rayons X les plus brillantes du monde. Son ancêtre a accéléré des électrons et des positrons et a conduit à la découverte des gluons dans les hadrons. © Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy), 2014

D'ordinaire, comme tous les étudiants en physique et en chimie l'apprennent depuis des décennies, les liaisons chimiques obéissent à quelques règles simples comme celle de l'octet. Elle énonce que les atomes avec un numéro atomique (Z) supérieur à quatre tendent à se combiner de façon à avoir huit électrons dans leur couche de valence (couche externe), ce qui leur donne la même structure électronique qu'un gaz noble.

Appliquée à un atome de sodium (Na), qui possède un électron sur sa couche de valence, donc un de plus que l'atome de néon, et à un atome de chlore (Cl) à qui il en manque un pour avoir une couche de valence aussi remplie que l'atome d'argon, cette règle conduit à prédire l'existence de NaCl, le sel de cuisine ordinaire. Énoncée par le chimiste Gilbert Lewis (à qui l'on doit la dénomination de « photon »), la règle de l'octet possède tout de même quelques exceptions. Cependant, on ne s'attendait pas à ce qu'un solide ionique, en l'occurrence des cristaux de sel, ne lui obéisse plus à hautes pressions.

De nouveaux matériaux à haute pression à partir de sel

Pourtant, l'algorithme mathématique qu'Artem Oganov a fait tourner sur ordinateur prédisait sans ambiguïté qu'au-delà de 200.000 atmosphères, des solides aussi exotiques que Na3Cl et NaCl3 devaient exister. Il devait suffire de prendre un mélange de sel et de sodium métallique dans le premier cas et de sel avec du chlore dans le second cas et de compresser suffisamment en chauffant. Non seulement c'est bien le cas, mais une fois formés, ces nouveaux matériaux restent stables thermodynamiquement.

Ils ne seraient que la pointe émergée d'un iceberg, car des associations de sodium et de chlore comme NaCl7, Na3Cl2 et Na2Cl ont aussi été prédites. Surtout, cela conduit à penser que d'autres matériaux n'obéissant pas aux règles habituelles de la chimie doivent exister à haute pression. « Les règles de la chimie ne sont pas des théorèmes mathématiques intangibles, explique Artem Oganov. Les lois de la chimie peuvent être contournées, car "impossible" signifie en réalité pour elles "difficilement réalisable". Vous avez juste besoin de trouver les conditions pour faire pencher la balance des énergies d'un côté, et ces règles ne tiennent plus. »