Les scientifiques ont utilisé des lasers ultra-rapides de haute intensité pour surchauffer l’or à 14 fois son point de fusion sans transformer le métal solide en liquide.
L’expérience record, qui a été décrite dans une étude publiée le 23 juillet dans la revue Naturea brisé une théorie vieille de plusieurs décennies sur la stabilité des solides et est la première méthode fiable pour mesurer précisément la température des systèmes extrêmement chauds, ont déclaré les chercheurs.
Les états de matière inhabituels, comme le plasma entourant le soleil ou les noyaux de planètes à haute pression, peuvent atteindre des températures incroyables de millions de degrés Fahrenheit. Cependant, mettre en fait une figure à cette soi-disant « matière dense chaude » s’est révélée difficile, car les scientifiques ont eu du mal à mesurer le matériau chaud de courte durée assez rapidement pour obtenir des résultats fiables.
« Nous avons de bonnes techniques pour mesurer la densité et la pression de ces systèmes, mais pas la température », auteur de l’étude Bob Naglerun scientifique du laboratoire national d’accélérateur du SLAC du ministère de l’Énergie, a déclaré dans un déclaration. « Dans ces études, les températures sont toujours des estimations avec d’énormes barres d’erreur, ce qui maintient vraiment nos modèles théoriques – cela a été un problème de plusieurs décennies. »
Cependant, les chercheurs ont réalisé qu’ils avaient réalisé bien plus qu’une nouvelle technique de mesure. « Nous avons été surpris de trouver une température beaucoup plus élevée dans ces solides surchauffés que nous attendons initialement, ce qui réfute une théorie de longue date des années 1980 », auteur de l’étude Thomas Whiteprofesseur agrégé de physique à l’Université du Nevada, a déclaré Reno dans le communiqué.
L’échantillon d’or solide a atteint un échelonné de 19 000 Kelvins (33 700 degrés Fahrenheit, ou 18 700 degrés Celsius) – 14 fois le point de fusion standard de l’élément de 1 337 Kelvins (1 947 F, ou 1064 C). « C’est peut-être le matériau cristallin le plus chaud jamais enregistré », a ajouté White dans un autre déclaration. « Je m’attendais à ce que l’or chauffe assez considérablement avant de fondre, mais je ne m’attendais pas à une augmentation de la température quatorze fois! »
Normalement, les solides et les liquides ont une température définie à laquelle ils changent d’un état à l’autre. Mais dans certaines conditions, les matériaux peuvent être chauffés au-delà de ces limites sans changer l’état – un phénomène appelé surchauffe. Cet effet est parfois observé dans l’eau chauffée au micro-ondes. Si le récipient est lisse, il n’y a pas d’irrégularités autour de laquelle les bulles peuvent se former de sorte que l’eau liquide contourne 212 F (100 C) sans bouillir. Cependant, la moindre perturbation peut déclencher la «catastrophe» et l’eau bouillonne de manière explosive à mesure que cet état métastable est brisé.
Dans les années 80, les physiciens ont calculé la limite de cet effet de surchauffe pour les solides comme trois fois le point de fusion, qu’ils ont surnommé la « catastrophe d’entropie ». Au-dessus de ce point, le solide aurait théoriquement une plus grande entropie, ou trouble, que sa forme liquide, brisant le Deuxième loi de la thermodynamique. Comme cette loi indique que l’entropie doit toujours augmenter, l’idée que les particules soigneusement disposées d’un solide pourrait être plus désordonnée que la distribution aléatoire des particules dans un liquide est une contradiction impossible.
Alors, comment l’échantillon d’or est-il resté solide à 14 fois son point de fusion? L’équipe a suggéré que la vitesse pure à laquelle ils chauffaient l’or ont empêché la structure cristalline de se développer pendant l’échelle de temps de l’expérience.
« Il est important de préciser que nous n’avons pas violé la deuxième loi de la thermodynamique », a déclaré White. « Ce que nous avons démontré, c’est que ces catastrophes peuvent être évitées si les matériaux sont chauffés extrêmement rapidement – dans notre cas, dans des milliards de dollars de seconde. »
