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Chauffé à un milliard de degrés, l'or devient plus dur !

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C'est un paradoxe prédit théoriquement. Chauffé à des températures dépassant un milliard de degrés, un réseau cristallin d'atomes d'or ne se met pas à fondre mais au contraire devient plus résistant... Cette étrange prédiction vient d'être vérifiée expérimentalement par des chercheurs de l'université de Toronto au Canada.

La technique de diffraction électronique femtoseconde décrite dans l'article est employée depuis un certain temps pour étudier les mouvement des atomes dans des molécules et ainsi avoir une compréhension fine des réactions chimiques pilotées par un laser. Crédit : Caltech

Dans un métal, les atomes se présentent sous forme d'ions positifs, situés aux nœuds du réseau, entre lesquels circule un gaz d'électrons libres. Lorsqu'on chauffe un métal, l'agitation des ions augmente et ils finissent par surmonter les forces d'attractions qui les maintenaient dans leurs sites au sein du réseau cristallin : le métal fond. Il intervient aussi le fait que les électrons se retrouvent en moyenne à plus grande distance des ions et les forces répulsives entre ces derniers deviennent plus intenses.

Mais ce scénario ne vaut pas pour l'or... Les calculs indiquent que le chauffage des électrons du métal se traduit par une augmentation temporaire des forces de liaisons entres les noyaux. Au lieu de s'amollir, le métal devient ainsi plus dur !

Pour tester cette prédiction surprenante, qui ne se produit que lorsque la température de chauffage dépasse le milliard de degrés, R.J. Dwayne Miller, professeur de chimie et de physique à l'université de Toronto au Canada, a utilisé, avec les membres du groupe qu'il y dirige, la technique de la diffraction électronique femtoseconde (UED, Ultrafast Electron Diffraction).

Comment chauffer de l'or à un milliard de degrés ?

On commence par produire le phénomène de renforcement temporaire des forces entre noyaux d'or en envoyant une impulsion de lumière laser ultracourte de telle sorte qu'un petit échantillon d'or voit sa température grimper à plus de un milliard de degrés. Pour observer le phénomène d'augmentation de résistance, qui ne dure évidemment qu'un temps très court, un faisceau d'électrons constituant une impulsion, d'une durée se mesurant en femtosecondes, est envoyé sur l'échantillon où les ions en mouvement le diffractent. L'image de diffraction obtenue permet de déduire les mouvements de ces ions et ainsi de remonter aux forces s'exerçant sur eux.

Pendant un bref instant, les chercheurs ont donc pu vérifier que de l'or chauffé à une température cent fois supérieure à celle régnant au cœur du Soleil, non seulement ne fond pas, mais voit même son point de fusion augmenter temporairement. Les détails de l'expérience sont exposés dans un article de Science du 22 janvier 2009.

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