La matière dans des conditions extrêmes de température et de pression très élevées s’avère remarquablement simple et universelle

Des scientifiques de l’Université Queen Mary de Londres ont fait deux découvertes sur le comportement de la « matière supercritique » – la matière au point critique où les différences entre les liquides et les gaz semblent disparaître.

Alors que le comportement de la matière à température et pression raisonnablement basses était bien compris, l’image de la matière à température et pression élevées était floue. Au-dessus du point critique, les différences entre les liquides et les gaz semblent disparaître, et la matière supercritique est supposée devenir chaude, dense et homogène.

Les chercheurs pensaient qu’il y avait encore une nouvelle physique à découvrir à ce sujet à l’état supercritique.

En appliquant deux paramètres, la capacité calorifique et la longueur sur laquelle les ondes peuvent se propager dans le système, ils ont fait deux découvertes clés. Tout d’abord, ils ont découvert qu’il existe un point d’inversion fixe entre les deux où la matière change ses propriétés physiques, passant de liquide à gaz. Ils ont également découvert que ce point d’inversion est remarquablement proche dans tous les systèmes étudiés, ce qui nous indique que la matière supercritique est d’une simplicité intrigante et se prête à une nouvelle compréhension.

Outre la compréhension fondamentale des états de la matière et du diagramme de transition de phase, la compréhension de la matière supercritique a de nombreuses applications pratiques ; l’hydrogène et l’hélium sont supercritiques dans les planètes géantes gazeuses telles que Jupiter et Saturne, et régissent donc leurs propriétés physiques. Dans les applications environnementales vertes, les fluides supercritiques se sont également révélés très efficaces pour détruire les déchets dangereux, mais les ingénieurs veulent de plus en plus être guidés par la théorie afin d’améliorer l’efficacité des processus supercritiques.

Kostya Trachenko, professeur de physique à l’Université Queen Mary de Londres, a déclaré : « L’universalité affirmée de la matière supercritique ouvre la voie à une nouvelle image physiquement transparente de la matière dans des conditions extrêmes. C’est une perspective passionnante du point de vue de la science fondamentale. la physique ainsi que la compréhension et la prédiction des propriétés supercritiques dans les applications environnementales vertes, l’astronomie et d’autres domaines.

« Ce voyage est en cours et est susceptible de voir des développements passionnants à l’avenir. Par exemple, il invite à se demander si le point d’inversion fixe est lié aux transitions de phase conventionnelles d’ordre supérieur ? Peut-il être décrit en utilisant les idées existantes impliquées dans la théorie de la transition de phase, ou faut-il quelque chose de nouveau et de tout à fait différent ? En repoussant les limites de ce qui est connu, nous pouvons identifier ces nouvelles questions passionnantes et commencer à chercher des réponses. »

Méthodologie

Le principal problème de compréhension de la matière supercritique était que les théories des gaz, des liquides et des solides n’étaient pas applicables. On ne savait toujours pas quels paramètres physiques révéleraient les propriétés les plus saillantes de l’état supercritique.

Armés d’une compréhension antérieure des liquides à basse température et pression, les chercheurs ont utilisé deux paramètres pour décrire la matière supercritique.

1. Le premier paramètre est la propriété couramment utilisée : il s’agit de la capacité calorifique indiquant l’efficacité avec laquelle le système absorbe la chaleur et contenant des informations essentielles sur les degrés de liberté du système.

2. Le deuxième paramètre est moins courant : il s’agit de la longueur sur laquelle les ondes peuvent se propager dans le système. Cette longueur régit l’espace de phase disponible pour les phonons. Lorsque cette longueur atteint sa plus petite valeur possible et devient égale à la séparation interatomique, quelque chose de vraiment intéressant se produit.

Les scientifiques ont découvert qu’en termes de ces deux paramètres, la matière dans des conditions extrêmes de haute pression et de température devient remarquablement universelle.

Cette universalité est double. Tout d’abord, le tracé de la capacité thermique en fonction de la longueur de propagation des ondes a un point d’inversion fixe frappant qui correspond à la transition entre deux états supercritiques physiquement différents : les états de type liquide et de type gaz. En franchissant ce point d’inversion, la matière supercritique change ses principales propriétés physiques. Le point d’inversion sert surtout de moyen sans ambiguïté de séparer les deux états, ce qui occupe l’esprit des scientifiques depuis un certain temps.

Deuxièmement, l’emplacement de ce point d’inversion est remarquablement proche dans tous les types de systèmes étudiés. Cette deuxième universalité est notablement différente de tous les autres points de transition connus. Par exemple, deux de ces points de transition – le point triple où les trois états de la matière (liquide, gaz, solide) coexistent et le point critique où se termine la ligne d’ébullition gaz-liquide – sont différents dans différents systèmes. D’autre part, le même point d’inversion dans tous les systèmes dans des conditions supercritiques extrêmes nous indique que la matière supercritique est d’une simplicité intrigante.

Découvrir et prouver cette simplicité est le résultat principal de l’article « Double universalité de la transition dans l’état supercritique », publié dans Avancées scientifiques.