au sommaire
Deux pales mécaniquement liées baignent dans deux chambres séparées où les températures, et donc l’agitation thermique diffèrent, ce qui fait tourner l’ensemble. On prélève ainsi de l’énergie du compartiment plus chaud. © Christian Van den Broeck
Le mouvement brownien a été découvert par le botanistebotaniste anglais Robert Brown en 1827. Il s'agissait du mouvement thermique aléatoire de petites particules dans un liquide. Le premier à en faire la théorie fut Albert EinsteinEinstein qui publia en 1905 un célèbre article sur le sujet. Grâce à cet effet, et aux observations de Jean Perrin, il fut possible de démontrer que la thermodynamique était bien une conséquence de la mécanique statistique proposée par Gibbs et Einstein, généralisant les travaux de Boltzmann. Le mouvement brownien lui-même donne lieu à des trajectoires complexes pour les particules et on ne peut les analyser correctement qu'en référence à la notion de fractale et à l'aide de la théorie des probabilités.
Robert Brown. Crédit : Soylent Communications
Le mouvement brownien est omniprésent dans les gaz et les liquides. On peut imaginer réaliser des nanomachinesnanomachines capables d'exploiter l'énergie représentée par cette agitation thermique des moléculesmolécules. C'est ce que les physiciensphysiciens tentent de faire depuis une dizaine d'années.
En 2004, Christian Van den Broeck et ses collègues belges et américains avaient déjà effectué des simulations numériquessimulations numériques pour démontrer que le mouvement brownien pourrait un jour être utilisé, au moins en principe, pour construire un moteur à mouvement brownien en contact avec deux sources de chaleurchaleur à températures différentes. Comme le fonctionnement d'une machine thermique peut être inversé pour produire, non plus du travail à partir de la chaleur, mais l'inverse, il devait être possible de faire fonctionner un réfrigérateur à mouvement brownien...
La clé : exploiter les collisions moléculaires
Christian Van den Broeck a réexaminé la question avec Martijn van den Broek, de l'Université de Hasselt en Belgique. Ils sont effectivement parvenus à concevoir les plans d'un dispositif avec deux pales en forme de coquilles d'escargots, montées sur un axe et plongées dans deux réservoirs de gaz séparés par une membrane.
Chaque pale est soumise au bombardement incessant et aléatoire des particules du gaz. L'un des réservoirs constitue une source de chaleur plus froide que l'autre, ce qui est une nécessité d'après les principes de la thermodynamique pour faire fonctionner un moteur ou un réfrigérateur.
A chaque choc, un transfert d'énergie cinétiqueénergie cinétique se produit dans un sens ou dans un autre. La chaleur étant liée à cette énergie cinétique des particules de gaz, ce transfert peut servir à produire du travail ou au contraire à pomper de la chaleur. Lorsque le dispositif fonctionne en moteur, il peut effectuer jusqu'à 1.000 tours par seconde en fonction du gradientgradient thermique entre les deux réservoirs séparés par la membrane, d'après les calculs des chercheurs.
Enfin, selon Christian Van den Broeck, des nanotubes de carbonenanotubes de carbone pourraient être utilisés pour fabriquer ces machines et des milliers de systèmes de ce genre pourraient être intégrés dans des puces informatiques, ou d'autres dispositifs électroniques, pour les refroidir. Il estime aussi que ces machines pourraient être très utiles dans la création de systèmes de génie biologique dans lesquels le contrôle de la température est nécessaire pour maîtriser la vitessevitesse réactions biochimiques.
