Les scientifiques libèrent la puissance des neutrons pour améliorer la compréhension des matériaux de tous les jours et aborder des questions fondamentales de physique.
Mis à part les flashbacks que la série à succès de Netflix « Breaking Bad » a pu évoquer, la plupart d’entre nous ont probablement heureusement oublié ce que nous avons appris dans les cours de chimie à l’école.
Voici donc un rapide rappel : la chimie examine les éléments constitutifs de notre monde physique, tels que les atomes, et les changements qu’ils subissent. Un atome est constitué d’un noyau de protons et de neutrons entouré d’un nuage d’électrons.
Libérez les neutrons
Maintenant, pour quelque chose que la chimie au lycée ne nous a peut-être pas appris : l’humble neutron, présent dans le noyau de chaque atome sauf l’hydrogène, peut, s’il est manipulé de la bonne manière, faire la lumière sur tout, de la crise climatique et de l’énergie à la santé et l’informatique quantique.
L’un de ces moyens est un processus assez spectaculaire connu sous le nom de spallation, des particules à haute énergie déstabilisant le noyau d’un atome, qui à son tour libère une partie des neutrons qui s’y trouvent.
Une fois exploités, ces neutrons nouvellement libérés peuvent être utilisés comme des rayons X pour cartographier la structure interne des matériaux.
Actuellement en construction à Lund, en Suède, la source européenne de spallation (ESS) devrait être mise en service en 2027. Une fois qu’elle aura atteint ses spécifications complètes, son flux et sa gamme spectrale sans précédent devraient en faire la source de neutrons la plus puissante et la plus polyvalente pour la science. dans le monde.
Le but de l’installation, a déclaré Jimmy Binderup Andersen, responsable de l’innovation et de l’industrie à l’ESS, « est de créer des neutrons, un faisceau de neutrons, à utiliser à des fins scientifiques ».
Une fois l’installation opérationnelle, les scientifiques de toute l’Europe et du reste du monde pourront utiliser ses 15 lignes de lumière différentes pour mener des recherches fondamentales.
Pas de radiographie
Selon Andersen, un faisceau de neutrons « n’est pas la même chose qu’un rayon X, mais il est complémentaire et utilise certaines des mêmes lois physiques ».
Comme les rayons X, les neutrons peuvent être utilisés pour sonder des matériaux et des systèmes biologiques. Mais ils interagissent avec les matériaux de manière différente des photons dans les faisceaux de rayons X à haute énergie, et fournissent donc différents types d’informations sur leurs cibles.
Par exemple, les faisceaux de neutrons peuvent dire quelque chose sur la dynamique interne des batteries lithium-ion, révéler des détails obscurs d’anciens artefacts ou clarifier les mécanismes de résistance aux antibiotiques chez les bactéries. Ils peuvent également être utilisés pour explorer la physique fondamentale. Cela ressemble presque à un cas de « qu’est-ce qu’ils ne peuvent pas faire? »
Bombardements de neutrons
Dans le cadre du projet BrightnESS-2, en partie coordonné par Andersen, les technologies développées pour l’ESS ont été partagées avec l’industrie en Europe, au profit de la société dans son ensemble. Par exemple, certains des systèmes d’alimentation développés pour les lignes de lumière de l’ESS pourraient être utiles pour les technologies d’énergie renouvelable, comme les éoliennes.
Récemment, l’ESS a été contacté par un fabricant européen de semi-conducteurs intéressé par les champs de rayonnement que la source de neutrons peut générer. Le monde dans lequel nous vivons est constamment bombardé de neutrons, produits lorsque des particules de haute énergie provenant de l’espace extra-atmosphérique, telles que les rayons cosmiques du soleil, entrent en collision avec l’atmosphère terrestre. Au fil du temps, cette exposition peut endommager les composants électriques.
L’ESS peut imiter ce bombardement de neutrons, mais sur une échelle de temps beaucoup plus rapide, ce qui lui permet d’être utilisé pour tester la durabilité de composants électriques critiques, tels que ceux utilisés dans les avions, les éoliennes et les engins spatiaux.
Aujourd’hui, ESS s’associe à d’autres instituts de recherche et entreprises pour trouver une utilisation future possible d’une installation comme ESS pour répondre à ces besoins spécifiques de l’industrie.
SSE 2.0
Bien que l’ESS soit toujours en cours de construction, les scientifiques travaillent déjà sur une mise à niveau de l’installation.
Lorsque l’ESS ouvrira pour la première fois, il aura un modérateur, mais le projet HighNESS développe un deuxième système de modérateur. Les modérateurs ralentiront les neutrons générés lors du processus de spallation, à un niveau d’énergie utilisable par les instruments scientifiques.
« L’énergie des neutrons est vraiment importante dans une installation à neutrons, car en fonction de l’énergie des neutrons, vous pouvez faire différents types de physique », a déclaré Valentina Santoro, coordinatrice du projet HighNESS.
Alors que le premier modérateur fournira une haute luminosité, c’est-à-dire un faisceau de neutrons très focalisé, la source développée par le projet HighNESS délivrera une haute intensité, c’est-à-dire un grand nombre de neutrons.
Les deux modérateurs permettront aux scientifiques d’explorer différents aspects de la dynamique et de la structure des matériaux tels que les polymères, les biomolécules, les métaux liquides et les batteries.
Un mystère fondamental
Le deuxième modérateur permettra également des explorations de la physique fondamentale pour essayer de voir un neutron devenir un antineutron pour la première fois.
« C’est très intéressant, car vous observez un phénomène où la matière devient de l’antimatière », a déclaré Santoro, physicien des particules basé à l’ESS. « Si vous observez quelque chose comme ça, vous pouvez comprendre l’un des plus grands mystères non résolus : pourquoi il y a plus de matière que d’antimatière dans l’univers. »
Cette expérience ne peut être réalisée qu’à l’ESS, a déclaré Santoro, car elle nécessite un grand nombre de neutrons et l’ESS aura le nombre le plus élevé au monde.
« Vous avez juste besoin d’un neutron qui devient un antineutron, et c’est tout, vous avez trouvé ce processus où la matière devient de l’antimatière », a déclaré Santoro.