Les propriétés physiques du carbone dans des conditions extrêmes
Publié par Michel le 25/01/2006 à 00:00
Source et illustrations: Lawrence Livermore National Laboratory
Une étude des chercheurs du laboratoire Livermore en Californie apporte un nouvel éclairage sur le diagramme des phases du carbone à pression et température élevées. En particulier, les auteurs ont déterminé les frontières des phases solide/liquide et solide/solide pour des pressions allant jusqu'à 20 millions d'atmosphères et des températures supérieures à 10.000 kelvins.

Les simulations effectuées apportent des informations sur les propriétés physiques du carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) dans des conditions extrêmes, essentielles dans la conception de modèles de planètes comme Neptune ou Uranus, d'étoiles naines blanches, voire de planètes extrasolaires riches en carbone.


Simulation graphique de la fonction d'onde électronique dans le
carbone liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) à 9.000 K et sous cinq millions d'atmosphères.
A cette pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) le diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la lonsdaléite), dont il représente l'allotrope de haute pression, qui cristallise dans le système cristallin cubique....) fond à environ 8.000 K.

Sous sa forme élémentaire, le carbone se trouve dans le charbon, le graphite, le diamant, ou encore les nanotubes. Ce sont des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) dont les propriétés sont très différentes, bien qu'au niveau microscopique ils ne diffèrent que par l'agencement géométrique de leurs atomes (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...).

Le carbone élémentaire est connu depuis la préhistoire, et une de ses formes les plus connues, le diamant, est supposé avoir été extrait pour la première fois en Inde il y a plus de 2.000 ans. Les propriétés du diamant et ses applications pratiques et technologiques sont considérables et se sont vérifiées au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Mais en dépit de tous ces siècles d'investigations et de l'important travail expérimental des dernières décennies sur le diamant fortement compressé, les limites entre phases et les propriétés de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes...) du carbone restent mal connues. Ses propriétés électroniques ne sont non plus pas bien comprises dans ces conditions extrêmes. Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) expérimentales sont rares en raison des difficultés d'atteindre le mégabar (un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui...) d'atmosphères) et les milliers de kelvins nécessaires en laboratoire.

Les travaux des chercheurs montrent une description cohérente du carbone élémentaire pour un large intervalle de températures et de pressions et une description de ses propriétés électroniques dans ces conditions. Les scientifiques ont également découvert que le point (Graphie) triple diamant/BC8/liquide (défini par 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...) et la pression pour lesquelles ces trois phases coexistent en équilibre thermodynamique) est à une plus basse pression que ce que l'on pensait auparavant (Le "BC8" est une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) solide du carbone dans laquelle le diamant se transforme au-dessus de 12 Mbar, pour une température nulle). Les conditions pour lesquelles le point triple est atteint sont proches des évaluations récentes des conditions (de température et de pression) qui doivent exister dans le noyau de Neptune et de Uranus.


Point triple du carbone à haute pression:
T= 7445 K, Pression = 8,5 Mbar (850 Gpa)

Selon les chercheurs, les modèles planétaires actuels devront être partiellement révisés, en particulier pour ce qui concerne le noyau des planètes. Leurs travaux pourront également servir à interpréter de futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) résultats expérimentaux.

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