Paris, 21 avril 2010

Confirmation expérimentale des théories sur la surfusion ou pourquoi l'eau ne gèle pas dans les nuages
Des scientifiques du Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) (1), du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) (2) et de l'installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) (3) apportent des éléments clés pour expliquer le curieux phénomène de surfusion, cet état de la matière où un liquide ne gèle pas alors même qu'il est à une température inférieure à son point de cristallisation. La surfusion est un phénomène que l'on peut observer au quotidien puisque les nuages sont une accumulation de gouttelettes d'eau en surfusion. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature du 22 avril 2010.
La surfusion est un état de la matière qui ne peut se produire qu'avec un liquide très pur et ne contenant pas de germes cristallins. La pureté extrême du liquide ne permet pas à la cristallisation de prendre, autrement dit au liquide de geler, alors que la température est inférieure à son point de congélation. Les nuages de haute altitude sont un bon exemple de ce phénomène : ils sont constitués de minuscules gouttelettes d'eau qui, en raison de la pureté de l'air, ne forment pas de glace malgré de très basses températures. L'arrangement des atomes, très chaotique, et l'absence de germe cristallin pour déclencher le processus de cristallisation sont à l'origine du phénomène. Qu'un avion traverse le nuage et les gouttelettes d'eau vont s'accrocher à sa structure, qui possède des impuretés, déclencher très rapidement le processus de cristallisation et former de la glace. C'est pour cette raison que certains avions sont équipés de systèmes de dégivrage.

Si la surfusion a été découverte dès 1724 par Fahrenheit, de nombreuses questions sur son mécanisme restent encore aujourd'hui sans réponse. Actuellement, les théoriciens postulent que la structure interne des liquides pourrait être incompatible avec la cristallisation. Des modèles théoriques suggèrent que les atomes dans les liquides s'organisent en pentagones. Or, pour former un cristal, il faut une structure qui peut être répétée périodiquement, de façon à remplir tout l'espace, ce que la forme pentagonale ne permet pas. Couvrir sans interruption un plancher avec des pavés pentagonaux est impossible alors que cela l'est avec des pavés triangulaires, rectangulaires ou hexagonaux. Pour que la cristallisation puisse avoir lieu, la structure pentagonale doit être cassée afin que les atomes se réarrangent.

Jusqu'à aujourd'hui, la preuve expérimentale que ces structures pentagonales pouvaient être la cause de la surfusion n'avait pas été apportée. En étudiant par rayonnement synchrotron un alliage de silicium et d'or à l'état liquide, les chercheurs ont pu prouver que l'ordre pentagonal était à l'origine de la surfusion. «  Nous avons étudié ce qui se passe dans un liquide en contact avec une surface sur laquelle une structure de symétrie 5 peut être réalisée (une surface de silicium 111 avec un revêtement spécial) », explique Tobias Schülli, premier auteur de l'article. « Nos expériences montrent qu'une surfusion très importante, inobservée dans ces alliages jusqu'à aujourd'hui, se produit sur une telle surface. Nous avons fait la même expérience avec des surfaces de silicium présentant une symétrie 3 ou 4 et dans ces cas, la cristallisation a eu lieu à des températures bien plus élevées ».

C'est au cours de travaux sur la croissance de nanofils de semi-conducteurs que les chercheurs ont découvert cette propriété des liquides qui favorise la surfusion. En observant le premier stade de croissance de nanofils, ils ont pu constater que l'alliage métal/semi-conducteur utilisé restait liquide à une température bien inférieure à son point de cristallisation, et ont décidé d'explorer le phénomène. Ces alliages liquides attirent beaucoup l'attention car ils permettent la croissance de structures semi-conductrices à des températures de croissance faibles.

Les nanofils de semi-conducteurs sont des candidats prometteurs pour de futurs dispositifs. A titre d'exemple, les chercheurs travaillent sur l'intégration de nanofils de silicium en nanoélectronique ou dans les cellules solaires photovoltaïques, ce qui permettrait d'augmenter le rendement de ces dernières. La surfusion pourrait aussi avoir des applications métallurgiques. Elle permettrait de mettre au point certains alliages à plus basse température.

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Localiser et identifier une molécule

Au début du siècle, la caractérisation des molécules consistait essentiellement en tests chimiques donnant naissance à des précipités, des couleurs, voire des odeurs. Ces techniques ont été supplantées par des méthodes physiques, dans lesquelles les molécules, soumises à certaines stimulations fournissent, sous forme de diagramme, une réponse ou spectre. Plusieurs méthodes spectroscopiques étudient l'interaction avec la matière des ondes électromagnétiques dans divers domaines de longueur d'onde. Le domaine de l'infrarouge (IR) permet de reconnaître la présence de certaines liaisons ou groupements d'atomes et fournit une " empreinte digitale " caractéristique. Dans le domaine des ondes radio, la résonance magnétique nucléaire (RMN) s'applique en premier lieu au carbone et à l'hydrogène mais également à de nombreux autres éléments. Cette méthode a connu depuis 1960 d'extraordinaires développements. L'un des plus récents, la RMN à deux dimensions, met en évidence des connexions entre atomes d'où une véritable cartographie moléculaire. Dans le domaine de la lumière visible ou ultaviolette, les renseignements obtenus sont d'une moindre richesse, mais cette spectroscopie, avec d'ailleurs l'IR, permet l'étude de molécules hors de notre atteinte comme celles des atmosphères planétaires ou de l'espace interstellaire. Enfin la spectrométrie de masse (SM) étudie les fragmentations des molécules sous l'effet, par exemple, d'un bombardement d'électrons. Des masses de ces fragments on peut déduire leur formule chimique qui permet de reconstituer la molécule originelle. Par ailleurs, ces spectres fournissent une signature qui, traitée numériquement, permet une identification automatique si la molécule a déjà été répertoriée dans une bibliothèque. Cette technique, couplée avec une méthode de séparation telle que la chromatographie en phase gazeuse est d'une puissance inégalée pour l'analyse de mélanges complexes.

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Chimie et création. Du moléculaire au supramoléculaire.

Structure, propriétés et transformation de la matière inanimée et animée sont les résultats d'interactions entre particules élémentaires formant les atomes, entre atomes édifiant les molécules, entre molécules enfin, conduisant à des architectures supramoléculaires. La chimie moléculaire a pour objet la découverte et la maîtrise des règles qui gouvernent les structures, les propriétés et les transformations des molécules. La chimie supramoléculaire peut être définie comme la chimie " par-delà la molécule ", portant sur les entités organisées, d'une complexité supérieure, qui résultent de l'association de deux ou plusieurs espèces chimiques maintenues ensembles par des forces intermoléculaires. Elles présentent en particulier des phénomènes de reconnaissance moléculaire et sont à la base du traitement de l'information au niveau supramoléculaire. En effet, la formation dirigée d'architectures organisées requiert la mise en oeuvre d'information, en une sorte de programmation moléculaire, établissant ainsi un lien entre la chimie et la science de l'information. Par sa capacité de sans cesse recréer le réel, de s'inventer et se réinventer au fur et à mesure qu'elle se développe, par son pouvoir sur la nature des espèces matérielles et sur les transformations qui permettent de les produire et de les mettre en réaction, la chimie exprime sa faculté créatrice. Le champ de la chimie est l'univers de toutes les espèces moléculaires et supramoléculaires possibles, et celles effectivement présentes dans la nature forment juste un monde parmi tous les mondes possibles en attente d'être créés.

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L'étude de la matière à toutes les échelles

L' étude de la matière à toutes les échelles est un sujet très vaste qui nécessiterait plusieurs cours. Aussi, nous limiterons notre propos en tentant de répondre à la question : " Un même assemblage d'éléments organiques ou inorganiques peut-il exister à différentes échelles et qu'elles sont leurs propriétés spécifiques ? " Dans ce dessein, nous choisirons une même entité différant par le nombre d'atomes qui la constitue et nous chercherons à montrer que ses propriétés physiques ou catalytiques changent en fonction de leur dimension. Dans un second temps, nous associerons cette entité à elle-même afin de faire croître cet assemblage de quelques Angstrom au millimètre. Nous montrerons que, dans certains cas, l'organisation de ces entités induit l'apparition des propriétés spécifiques différant de l'élément isolé. Nous traiterons tout d'abord les matériaux inorganiques puis organiques.

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