Les fluides supercritiques sont essentiels pour comprendre les planètes géantes telles que Jupiter et Neptune, où des états similaires de la matière peuvent régner. Crédit : ILL, édité
De nouvelles recherches révèlent la double nature des fluides supercritiques, passant d’un comportement gazeux à un comportement liquide, fournissant ainsi un aperçu de la dynamique des fluides dans des conditions extrêmes.
Une étude apporte des informations remarquables sur le comportement énigmatique des fluides supercritiques, un état hybride de la matière occupant un espace unique entre les liquides et les gaz et découlant de domaines allant de l’industrie pharmaceutique à la science planétaire. Les résultats obtenus sont à la limite des possibilités expérimentales actuelles et n'ont pu être obtenus que dans une source de neutrons à haut flux telle que l'Institut Laue-Langevin (ILL).
Fluides supercritiques
Une substance liquide ou gazeuse poussée au-delà de son point critique (c'est-à-dire au-delà de la température et de la pression auxquelles la distinction entre liquide et gaz ne peut plus être faite) est appelée fluide supercritique. Encore peu connus et défiant les classifications conventionnelles, les fluides supercritiques possèdent la capacité de s’épousseter comme un gaz tout en dissolvant les matériaux comme un liquide. Cette dualité les rend inestimables dans une myriade d’applications industrielles, du traitement pharmaceutique à la décaféination des grains de café. D’un autre côté, ils sont essentiels à la compréhension des planètes géantes telles que Jupiter et Neptuneoù des états similaires de la matière peuvent régner.
Recherche révolutionnaire sur les fluides supercritiques
Dans une étude publiée le 16 mai dans la revue Communications naturelles, une équipe internationale de chercheurs de l'Institut Laue Langevin (Grenoble, France), de l'École Polytechnique Fédérale (Lausanne, Suisse), du CNRS (France) et du CNR (Italie) de l'Université Sapienza (Rome, Italie) a obtenu la preuve expérimentale que la diffusion moléculaire dans un environnement supercritique le fluide passe d'un comportement gazeux à un comportement liquide à travers ce que l'on appelle la ligne Widom (une ligne thermodynamique qui étend la courbe de vapeur saturée au-dessus du point critique). La transition est progressive dans une plage de pression étroite.
L'équipe a étudié la diffusion de molécules au sein d'un fluide supercritique – un paramètre crucial reflétant la mobilité des molécules au sein du fluide – avec une question fondamentale à l'esprit : pouvons-nous identifier une région de pression-température où le comportement d'un fluide supercritique passe du gaz -comme un liquide ? Alors que les modèles théoriques ont proposé diverses limites de transition de ce type (parmi lesquelles la ligne Widom), la validation expérimentale était restée insaisissable jusqu'à présent.
Aperçus expérimentaux sur la diffusion moléculaire
Ce résultat a été obtenu grâce à des expériences difficiles de diffusion quasi-élastique de neutrons (QENS) à haute pression sur du méthane supercritique menées à l'Institut Laue Langevin, à Grenoble. À l’ILL, les neutrons sont utilisés pour explorer les matériaux et les procédés de toutes les manières possibles dans des domaines très variés. Dans cette étude, un faisceau de neutrons a été envoyé sur une cellule contenant du méthane dans des conditions supercritiques.
L'intensité du faisceau de neutrons diffusé par l'échantillon a été mesurée en fonction de l'énergie échangée dans la plage d'intérêt (c'est-à-dire dans la plage d'énergie où se produisent les phénomènes de diffusion moléculaire au sein de la matière, ce qu'on appelle le régime quasi-élastique). Les mesures ont été effectuées à température constante T=200 K (au-dessus de la T=190 K critique) en faisant varier la pression du méthane de quelques bars jusqu'à des pressions très élevées (atteignant près de 3 Kbar ; la pression critique est P=45 bar). . Les expériences ont été menées sur l'instrument ILL IN6-SHARP.
Les auteurs soulignent des preuves expérimentales d’une clarté frappante : « Alors qu’à des pressions inférieures à environ 50 bars on observe le signal de la dynamique de diffusion typique des systèmes gazeux, nous avons pu observer qu’à mesure que la pression augmente au-dessus de cette valeur, le signal évolue progressivement jusqu’à il prend la forme typique des liquides » explique l'auteur Alessio De Francesco (chercheur au CNR et à l'ILL).
Ce résultat a été rendu possible grâce à la source de neutrons à haut flux et aux moyens expérimentaux uniques disponibles à l'ILL : « Ces mesures sont aux limites des possibilités expérimentales actuelles et étaient impensables il y a quelques années encore » ajoute Ferdinando Formisano (chercheur à l'ILL). CNR et ILL), concluant : « Comme souvent dans la recherche, ouvrir une porte, c'est voir de nouvelles pistes à explorer, et cet objectif ne peut être poursuivi que grâce à l'accès à de grands équipements de recherche. »
