Révéler les secrets des fluides supercritiques
Une étude publiée aujourd'hui dans Nature Communications apporte un éclairage inédit sur le comportement déconcertant des fluides supercritiques, un état hybride de la matière - entre les liquides et les gaz - qui intervient dans des domaines allant de l'industrie pharmaceutique à la science des planètes. Les résultats observés sont à la limite des possibilités expérimentales actuelles et n'ont pu être obtenus qu'avec une source de neutrons à haut flux telle que l'ILL.
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'épancher comme un gaz tout en dissolvant les matériaux comme un liquide. Cette dualité les a rendus extrêmement précieux dans une myriade d'applications industrielles, de la fabrication pharmaceutique à la décaféination des grains de café. D'autre part, ils sont essentiels pour comprendre les planètes géantes telles que Jupiter et Neptune, où de tels états de matière peuvent régner.
Dans une étude publiée dans Nature Communications, une équipe internationale de chercheurs de l'université Sapienza (Rome, Italie), de l'Institut Laue Langevin (Grenoble, France), de l'École Polytechnique Fédérale (Lausanne, Suisse), du CNRS (France), du CNR (Italie), de l'University d'Edinburgh (Royaume-Uni) et de HPSTAR (Shanghai, China) a obtenu la preuve expérimentale que la diffusion moléculaire dans un superfluide passe d'un comportement gazeux à un comportement liquide à travers la ligne dite de Widom (une ligne thermodynamique qui prolonge la courbe de la vapeur saturée au-dessus du point critique). La transition est graduelle dans une plage de pression étroite.
Umbertoluca Ranieri (Université de Rome La Sapienza et Université d'Edimbourg) et ses collaborateurs ont étudié la diffusion de molécules dans un fluide supercritique - un paramètre crucial qui témoigne de la mobilité des molécules dans le fluide - avec une question fondamentale à l'esprit : pouvons-nous localiser une région de pression-température où le comportement d'un fluide supercritique passe de l'état gazeux à l'état liquide ? Alors que les modèles théoriques ont proposé plusieurs limites de transition de ce type (notamment la ligne de Widom), la validation expérimentale restait, jusqu'à présent, hors de portée.
Ce résultat a été obtenu grâce à d'ambitieuses expériences 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 processus de toutes les manières possibles dans un très large éventail de domaines. Dans cette étude, un faisceau de neutrons a été envoyé sur une cellule contenant du méthane maintenu 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 gamme d'intérêt (c'est-à-dire dans la gamme d'énergie où se produisent les phénomènes de diffusion moléculaire au sein de la matière, ce que l'on appelle le régime quasi-élastique). Les mesures ont été effectuées à température constante T=200 K (au-dessus de la température critique T=190 K) en faisant varier la pression du méthane de quelques bars 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 IN6-SHARP (désormais renommé SHARPER) de l'ILL.
Les auteurs soulignent l'impressionnante clarté de la preuve expérimentale obtenue : "Alors qu'à des pressions inférieures à environ 50 bars on observe le signal typique de la dynamique de diffusion des systèmes gazeux, on constate que lorsque la pression augmente au-delà, le signal évolue progressivement jusqu'à adopter la caractéristique typique propre aux 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 au soutien expérimental unique qu'offre l'ILL : "Ces mesures sont à la limite des possibilités expérimentales actuelles et étaient impensables il y a encore quelques années", ajoute Ferdinando Formisano (chercheur au CNR et à l'ILL), avant de conclure : "Comme souvent dans la recherche, avoir ouvert une porte, c'est voir de nouvelles pistes à explorer, et cet objectif ne peut être poursuivi que grâce à l'accès à de grandes infrastructures de recherche."
Livia E. Bove (directrice de recherche au CNRS et à l'EPFL) explique la portée de ces résultats : « Nos résultats ne font pas seulement progresser notre compréhension de la dynamique des fluides supercritiques, mais ont également des implications significatives pour la science planétaire, où des états de matière similaires peuvent régir le comportement des géantes gazeuses et des exoplanètes. Dans le cas des géantes gazeuses, l'existence d'un état supercritique non homogène influencerait en effet la définition d'une frontière entre l'intérieur des planètes et leur atmosphère. Cela aurait un impact sur les propriétés planétaires telles que la conductivité thermique et d'autres phénomènes physiques liés à la chaleur comme l'activité orageuse, ainsi que sur les propriétés liées à la diffusion de masse comme les conductivités ioniques et la génération conséquente de champs magnétiques anormaux. En démêlant les complexités de ces états hybrides, nous faisons un pas de plus vers la compréhension des planètes plus éloignées de notre système solaire et des propriétés fondamentales de la matière condensée ».
Traduit avec DeepL.com (version gratuite)
Instrument ILL: IN6-SHARP (now called SHARPER), the Cold neutron time-focussing time-of-flight spectrometer (CRG)
Reference: U. Ranieri, F. Formisano, F.A. Gorelli, M. Santoro, M.M. Koza, A. De Francesco, L.E. Bove, "Crossover from ‘Gas-like’ to ‘Liquid-like’ Molecular Diffusion in a Simple Supercritical Fluid," Published in Nature Communication 15, 4142 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-47961-7
Contact ILL : Ferdinando Formisano