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Posté par Adrien le Lundi 10/07/2017 à 00:00
De l'histoire de la Terre à la mécanique quantique
La plupart des processus géologiques modelant la Terre entraînent des enrichissements isotopiques qui leur sont particuliers, et qui constituent en quelque sorte leur signature. Lorsque ces mécanismes d'enrichissement sont bien compris, la mesure des compositions isotopiques des roches peut alors servir à reconstruire les climats passés, à comprendre la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) ou la formation du Système solaire. La prédiction théorique de ces processus d'enrichissement est indispensable à leur compréhension, mais se heurte à leur nature à la fois quantique et dynamique. Pour les solides et les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend...), une approche simplifiée est suffisante, mais le cas des liquides reste problématique. Pour la première fois, une étude théorique montre que pour comprendre et prédire le comportement d'isotopes dans des systèmes complexes contenant une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), une approche plus précise est nécessaire et possible. Ce résultat, obtenu par des chercheurs du GET et du CEMES, a des implications majeures pour la compréhension de l'évolution de notre planète, car les processus isotopiques sont des marqueurs quantitatifs d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de processus (érosion, altération, interactions géosphère-biosphère). Ces travaux ont été publiés dans la revue Accounts of Chemical Research, le 23 juin 2017.


Le calcul harmonique (à droite en rouge) surestime significativement les données expérimentales (en noir), alors que le calcul basé sur la dynamique moléculaire d'intégrales de chemin (TI-PIMD, en vert) est en bon accord. Cette différence pourrait s'expliquer par les fluctuations importantes de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les...) du Li dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.), illustrées sur l'image de gauche: dans l'eau, le Li est entouré de 4 molécules d'eau qui forment une cage autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) de lui. La déformation de cette cage peut se mesurer par les variations de la distance Li-O et de l'angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) O-Li-O. L'image de gauche montre que les angles O-Li-O varient beaucoup, entre 90 et 130° typiquement, alors que la distance Li-O varie relativement peu, entre 1.8 et 2.2 Å typiquement. Crédits: R. Dupuis, M. Benoit, M. E. Tuckerman and M. Meheut.

Au cours des temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) géologiques, l'eau de mer (L'eau de mer est l'eau salée des mers et des océans de la Terre.) transforme le basalte des fonds océaniques en l'attaquant chimiquement. Au terme de ce processus d'altération, le basalte est transformé en partie en argiles et en partie en sels dissous dans l'eau de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.). Le lithium (Le lithium est un élément chimique, de symbole Li et de numéro atomique 3.), un élément chimique contenu initialement dans le basalte, va se retrouver alors réparti entre l'argile (L'argile (nom féminin) est une roche sédimentaire, composée pour une large part de minéraux spécifiques, silicates en général d'aluminium plus ou moins hydratés, qui...) et l'eau de mer. Cette séparation va avoir des conséquences importantes sur les propriétés du lithium. Dans la nature, les atomes de lithium peuvent être de deux variétés, appelées « isotopes ». Ces deux variétés, notées Li et Li, ont des masses différentes (7 et 6) et vont présenter des affinités légèrement différentes pour l'argile et l'eau de mer. Concrètement, la variété Li va se retrouver plus concentrée dans la solution que dans l'argile. Si la valeur de cet enrichissement, et sa dépendance aux conditions extérieures (température, composition chimique) est bien connue, on pourra alors utiliser la concentration en Li mesurée dans l'argile pour reconstituer l'histoire des événements géologiques qu'elle a connus, tels que l'attaque chimique du basalte.

Il est cependant nécessaire de bien comprendre ces mécanismes d'enrichissement pour se servir de ces mesures. Pour cela, des expériences en laboratoire peuvent être réalisées, reproduisant le plus fidèlement possible les conditions naturelles. Une approche plus simple à mettre en oeuvre consiste à déduire ces propriétés d'enrichissement de calculs théoriques, basés sur la modélisation des phénomènes quantiques se déroulant à l'échelle de l'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre....). A cette échelle, les atomes sont attachés deux à deux par des liaisons, comme par exemple le lithium avec l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) d'oxygène des molécules d'eau qui l'entourent (Figure). Ces liaisons agissent comme un ressort ou un élastique entre les deux atomes, qui se mettent à vibrer sous l'effet de l'agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques...) moléculaire. La préférence du 7Li pour l'eau de mer vient alors de sa plus grande masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...), qui le fera vibrer avec l'oxygène de manière plus lente (La Lente est une rivière de la Toscane.) que le Li. Pour comprendre cette préférence, il faut donc comprendre le comportement dynamique de l'atome de lithium, et comment celui-ci diffère dans l'eau de mer et dans l'argile.

Une méthode approchée très efficace, appelée « approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de précision et d'exactitude, de quelque chose, mais encore assez significative pour...) harmonique », suppose une proportionnalité entre l'allongement de la liaison et sa force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) de rappel. Elle a été développée il y a 60 ans et a permis d'estimer précisément ces propriétés dynamiques et d'enrichissement isotopique pour de nombreuses espèces solides, comme les minéraux constituant les roches, et gazeuses, comme les molécules constituant l'atmosphère.

L'approximation harmonique a constitué le point (Graphie) de départ de la compréhension scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) des effets d'enrichissement isotopique, mais son application aux liquides a longtemps posé problème. Les liquides, quoique d'une grande importance dans les processus naturels, sont d'une part plus difficiles à étudier expérimentalement pour leurs propriétés dynamiques, et d'autre part, ils présentent un comportement dynamique complexe, qui pourrait rendre fausse cette approche approximative.

Dans ce travail, et sur le cas du lithium, les chercheurs impliqués montrent que pour les liquides, une autre approche doit être utilisée. Cette approche, appelée « dynamique moléculaire d'intégrales de chemin », est basée sur la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant différentes matières...) de la mécanique quantique développée dans les années 1960 par Richard Feynman, Prix Nobel de Physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred...), et permet le calcul de l'enrichissement isotopique de manière exacte.

En appliquant cette approche au cas du lithium, il a été attesté pour la première fois qu'il est indispensable de dépasser les limites de l'approximation harmonique pour comprendre les processus d'enrichissement isotopique des liquides. Ce travail lève par là-même le dernier verrou rendant jusqu'alors opaque la compréhension théorique des mécanismes de fractionnement isotopique, en couvrant le cas des liquides.

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Source: CNRS-INSU