Même une seule molécule de gaz peut donner un coup suffisamment fort pour être détecté. Des chercheurs viennent de réussir à le mesurer.
Autour de nous, les molécules de l'air se déplacent sans arrêt. Elles heurtent les murs, les objets et notre peau. Ces innombrables chocs produisent notamment la pression de l'air. Mais chaque collision prise séparément est si faible qu'il est très difficile de la distinguer.
Modèle moléculaire de l'hexafluorure de soufre, de formule SF₆ : un atome de soufre entouré de six atomes de fluor. Ce gaz fait partie des trois substances testées dans l'expérience sur les collisions individuelles.
Photo : Ljeto, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons.
Une équipe de l'université Yale, aux États-Unis, a trouvé le moyen d'observer certains de ces minuscules impacts. Les chercheurs ont utilisé une bille de silice, un matériau proche du verre, mesurant seulement 100 nanomètres de diamètre. Elle est plus de mille fois plus petite que l'épaisseur d'un cheveu.
Pour éviter qu'elle touche quoi que ce soit, ils l'ont maintenue en suspension grâce à la lumière d'un laser, à l'intérieur d'une chambre où presque tout l'air avait été retiré. Ils ont ensuite ajouté, en très petites quantités, trois gaz différents : du krypton, du xénon et de l'hexafluorure de soufre.
À chaque collision, un atome ou une molécule pouvait donner une impulsion à la bille, provoquant un mouvement infime. Le laser permettait de suivre ce déplacement. Les chercheurs ont ainsi repéré des coups produits par des particules environ dix millions de fois plus légères que leur capteur.
Le plus délicat était de séparer ces chocs de toutes les autres petites vibrations de l'appareil. L'équipe a comparé les signaux à ceux enregistrés sans ajout de gaz, puis aux résultats attendus par les calculs. Les mesures correspondaient bien à la fréquence et à l'intensité des collisions prévues.
Les chercheurs ont ici montré qu'il était possible de distinguer des collisions individuelles, là où les instruments mesurent habituellement leur effet cumulé.
À quoi cela pourrait-il servir ? En comptant ces impacts, on pourrait mesurer des pressions extrêmement faibles, comme celles recherchées dans les systèmes où l'on fait presque totalement le vide.
Avec des capteurs encore plus sensibles, cette méthode pourrait aussi aider à étudier des forces très faibles et certaines expériences de physique fondamentale. Pour l'instant, l'exploit tient à la dimension de ce que les chercheurs ont réussi à mesurer : le coup d'une seule particule de gaz.