Transition liquide-liquide et second point critique dévoilés dans le soufre

Publié par Redbran le 13/01/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
L'existence de deux phases liquides de densités distinctes a été démontrée pour la première fois dans le soufre. L'équipe de chercheurs et de chercheuses a également mis en évidence un second point critique entre ces deux phases, une caractéristique prédite et recherchée dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...) depuis presque 30 ans.


Fig. 1. Diagramme de phase P-T du soufre (Le soufre est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole S et de...) dans la région de la transition liquide-liquide. LDL: liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) de basse densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) ; HDL: Liquide de haute densité ; C: second point (Graphie) critique associé à la transition liquide-liquide. ©Henry, L., Mezouar, M., Garbarino, G. et al.

Toute substance peut exister à l'état liquide et gazeux, et passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) de l'un à l'autre en fonction de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) (P) ou de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) (T). Pour des conditions P, T en dessous des conditions dites "critiques", le changement d'état est caractérisé par une variation soudaine et importante de la densité. Lorsqu'on se rapproche puis dépasse les conditions critiques (qui définissent un point dans le plan P-T dit point critique), le saut de densité diminue puis s'annule. On passe alors du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) au liquide de façon continue: c'est l'état "fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...)" ou "supercritique".

Au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la...) du point critique, la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) "hésite" entre l'état liquide et l'état gazeux, produisant des fluctuations géantes de densité: c'est le phénomène d'opalescence critique. Les fluides supercritiques sont utilisés massivement dans l'industrie chimique car ce sont d'excellents solvants. Dans les années 90, un second point critique a été suggéré dans l'eau à partir de simulations numériques. Celui-ci terminerait une ligne de transition dans le plan P-T séparant cette fois deux phases liquides. Mais il n'a jamais pu être observé expérimentalement.

Dans cette étude, des chercheurs et des chercheuses du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute...) européen ESRF, de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de minéralogie, de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/MNHN/Sorbonne Univ./IRD), et du CEA ont étudié le comportement du soufre liquide dans la zone 0-30 kbar, 300-1100 K. L'équipe a démontré qu'une transition liquide-liquide existe dans le soufre et elle a déterminé la ligne de transition dans le plan P-T [Fig. 1]. Il s'agit seulement du deuxième exemple de transition liquide-liquide observée dans un liquide mono-composant et thermodynamiquement stable, après le phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et...).

Ce travail est aussi le premier à montrer expérimentalement l'existence d'un second point critique associé à la transition liquide-liquide, terminant la ligne de transition (point C dans la Fig. 1). En effet, en faisant varier la pression à une température supérieure à 1050 K, les scientifiques ont observé que la densité évolue continûment, contrairement aux sauts observés à plus basse température. Ceci indique la présence d'un point critique situé vers 21.5 kbar et 1035 K. La variation du saut de densité le long de la transition est également intrigante: en s'éloignant du point critique, le saut de densité commence par augmenter puis passe par un maximum à environ 750 K avant de chuter. C'est un comportement bien différent de celui de la transition liquide-gaz, pour laquelle le saut de densité augmente de façon monotone en s'éloignant du point critique.

Pour parvenir à ces résultats, l'équipe a dû mettre au point un support totalement inerte (Inerte est l'état de faire peu ou rien.), le soufre étant un composé très réactif. Elle a ainsi réalisé une capsule en diamant (Le diamant est un minéral composé de carbone (tout comme le graphite et la...) d'un millimètre de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...), fermée par un bouchon en chlorure de sodium (Le chlorure de sodium est un composé chimique de formule NaCl. On l'appelle plus...). Les mesures ont eu lieu à l'ESRF, grâce à des faisceaux de rayons X dirigés vers l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...). L'absorption des rayons X (La spectrométrie d'absorption des rayons X aide à déterminer la structure d'un matériau. Elle a...) renseigne sur la densité du soufre, et la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est...) révèle son organisation (Une organisation est) au niveau atomique. L'équipe a ainsi pu démontrer que le liquide de haute densité est essentiellement composé de chaînes d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de soufre, alors que celui de basse densité contient à la fois des molécules S8 et des chaînes.

Cette étude devrait permettre d'avancer dans la compréhension physique de ce phénomène, et par extension, de celle de l'état liquide et notamment l'existence d'un second point critique dans l'eau. De plus, les conditions P-T du point critique étant relativement facile d'accès, il ouvre des perspectives très intéressantes pour la caractérisation des phénomènes critiques (comme l'opalescence observée dans la transition liquide-gaz) associés aux transitions liquide-liquide. Une meilleure compréhension des transitions liquide-liquide pourrait également aboutir à de nouvelles applications fondées sur le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) des propriétés physiques du liquide.

Référence:
Liquid-liquid transition and critical point in sulfur.
Laura Henry, Mohamed Mezouar, Gaston Garbarino, David Sifré, Gunnar Weck & Frédéric Datchi, Nature, le 19 août 2020.
DOI: 10.1038/s41586-020-2593-1
Article disponible sur la base d'archives ouverte HAL.

Contacts:
- Frédéric Datchi - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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