La mécanique quantique met en défaut la loi d'Arrhenius

Publié par Redbran le 30/01/2020 à 14:00
Source: CEA

pexel
Une étude impliquant des chercheurs du CEA, de l'université de Shimane au Japon et de Culham Science Centre for Fusion Energy en Grande-Bretagne met en défaut la loi d'Arrhenius, loi empirique de cinétique chimique couramment appliquée depuis plus d'un siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une...) pour décrire la variation de vitesse (On distingue :) d'une réaction chimique en fonction de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...). Ces travaux démontrent que la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les systèmes physiques,...) est indispensable pour comprendre l'évolution des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et de leur microstructure. Basés sur l'étude du mouvement des défauts dans un échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) de tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de l'allemand Wolfram) et de numéro atomique 74.) à température cryogénique, ces résultats sont publiés dans la revue Nature Materials le 27 janvier 2020.

La loi d'Arrhenius est couramment utilisée pour décrire et calculer la variation de la vitesse d'une réaction chimique en fonction de la température. Dans un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de propriétés particulières et...) donné porté à très basse température, elle implique que le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des...) de tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) 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...) plus lourd que l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) est considérablement retardé, voire "gelé": elle décrit le matériau et ses défauts comme figés. Une étude publiée dans la revue Nature Materials le 27 janvier 2020 met désormais en défaut la loi d'Arrhenius sur ce point (Graphie).

Mouvement des boucles de dislocation dans le tungstène à basse température

Les chercheurs se sont intéressés au mouvement des défauts dans un échantillon de tungstène (1) à température cryogénique. Dans un tel matériau, des amas d'atomes interstitiels (2) s'assemblent à l'échelle nanométrique et sont piégées par des atomes d'impuretés (voir illustration). En soumettant ce matériau à une irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou accidentellement) un organisme, une substance, d'un corps à un flux de rayonnements ionisants : rayons...) aux électrons, les chercheurs ont observé qu'un amas peut sortir du périmètre (Le périmètre d'une figure plane est la longueur du bord de cette figure. Le calcul du périmètre sert par exemple à déterminer la quantité de grillage...) d'une impureté avant d'être à nouveau piégée par une autre d'entre elles.


Mouvement des boucles de dislocation dans le tungstène à basse température.
© CEA

Pour interpréter leurs mesures expérimentales, ils ont dû recourir à la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission,...) quantique, théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance...) nécessaire pour expliquer les phénomènes observés lors de l'étude du comportement des particules de très faibles masses tels que les électrons, les muons, ou même des atomes d'hydrogène. Cette dernière serait donc indispensable à la compréhension, au calcul et à la simulation de l'évolution des matériaux et de leur microstructure.

Ces résultats suggèrent la nécessité de revisiter toutes les expériences classiques réalisées à des températures cryogéniques (par exemple, les expériences de recuits pour mesurer les variations de résistivité du matériau ou de frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) intérieur) dont l'interprétation quantitative s'appuyait exclusivement sur une loi d'Arrhenius, jusqu'à présent.

Notes:
(1) La 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...) d'un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie...) de tungstène (W) équivaut à celle de 183 atomes d'hydrogène (H).
(2) Ces défauts sont constitués d'atomes dits interstitiels. Ce sont des atomes en surnombre mal placés dans l'empilement régulier d'atomes qui constitue le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un...) cristallin d'un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des...) ou d'un minéral.


Références:
​Observation of quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus petite mesure...) de-trapping and transport of heavy defects in tungsten, Kazuto Arakawa, Mihai-Cosmin Marinica, Steven Fitzgerald, Laurent Proville, Duc Nguyen-Manh, Sergei L. Dudarev, Pui-Wai Ma, Thomas D. Swinburne, Alexandra M. Goryaeva, Tetsuya Yamada, Takafumi Amino, Shigeo Arai, Yuta Yamamoto, Kimitaka Higuchi, Nobuo Tanaka, Hidehiro Yasuda, Tetsuya Yasuda, Hirotaro Mori
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