L’eau gèle quand il fait froid – ce nouveau matériau gèle quand il fait chaud

Éric Collet

Une nouvelle étude montre qu’il est possible de geler les positions des atomes qui constituent un matériau…, en le chauffant.

Ce concept ouvre la voie au développement de dispositifs innovants, tels que des capteurs piézoélectriques capables de fonctionner à température ambiante, sans avoir besoin de recourir à de très basses températures.

Lorsque l’eau liquide passe en dessous de 0 °C, les molécules d’eau gèlent leurs positions les unes par rapport aux autres, pour former de la glace. Dans l’immense majorité des matériaux, les atomes et les molécules gèlent quand la température baisse.

Mais, contrairement à l’intuition, nous avons découvert un matériau présentant un changement d’état magnétique, pour lequel des mesures de cristallographie par rayons X ont démontré que les positions des atomes gèlent… en chauffant !

Ceci nous a d’abord surpris, mais nous avons trouvé une explication, que nous détaillons dans notre récente publication.

Certains dispositifs électroniques ne fonctionnent qu’à basse température

Les positions des atomes se gèlent habituellement quand on abaisse sa température – c’est le cas, par exemple, quand l’eau gèle au congélateur ou encore quand du sucre fondu cristallise en refroidissant.

Ce phénomène existe aussi à l’état solide dans de nombreux matériaux. Même dans un solide, les atomes vibrent entre des positions équivalentes par symétrie (par exemple entre gauche et droite) – ils ne se figent dans une de ces positions que quand la température diminue.

Pour certains matériaux, comme le sucre ou les piézoélectriques utilisés sur les sonars ou capteurs pour l’échographie, les atomes sont gelés à température ambiante. Mais pour de nombreux matériaux moléculaires, ceci ne se produit qu’à -20 °C, -100 °C ou -200 °C, par exemple.

Le changement de symétrie associé à la mise en ordre des atomes qui se gèlent suivant certaines positions est illustré sur la figure ci-dessus.

À droite, les atomes sont désordonnés et vibrent à haute température. Il y a ici une symétrie miroir et les positions des atomes d’un côté du miroir sont équivalentes à celles de l’autre côté.

À basse température, les positions des atomes se gèlent. Par exemple, les atomes rouges s’approchent d’atomes bleus à droite et s’éloignent des atomes bleus à gauche. Ceci modifie certaines propriétés physiques de matériaux et, par exemple, des charges (+ et -) apparaissent en surface.

Si on appuie sur un tel matériau, les charges changent, et c’est ce qui est à la base des capteurs piézoélectriques, par exemple. Une simple pression, comme un son, peut moduler ces charges et être alors détectée. C’est ainsi que fonctionnent les dispositifs pour l’échographie ou les sonars dans les sous-marins, par exemple : l’onde sonore qui est réfléchie sur un objet est détectée par le capteur piézoélectrique au travers d’un signal électrique.

D’autres matériaux sont aussi ferroélectriques. Il est alors possible de retourner les positions atomiques avec un champ électrique et donc d’inverser les charges. C’est ce dispositif qui est à la base des mémoires RAM ferroélectriques.

Malheureusement, pour de nombreux matériaux moléculaires, ce type de propriétés liées au changement de symétrie n’apparaissent qu’à basse température. Il faut alors refroidir les matériaux pour obtenir la propriété, parfois à -200 °C. Cette contrainte limite donc l’application de ces matériaux, car de nombreuses applications nécessitent des dispositifs fonctionnant à température ambiante, parce qu’il est trop complexe et coûteux d’intégrer des dispositifs de refroidissement.

Une découverte surprenante : un matériau qui gèle à haute température

Dans la majorité des matériaux, les atomes qui les constituent se mettent en mouvement avec l’élévation de température. Cette agitation thermique crée un désordre, qui se mesure par une grandeur thermodynamique appelée « entropie ».

Les lois de la physique stipulent que plus la température augmente, plus le désordre et donc l’entropie augmentent. Ainsi, le désordre est plus grand à haute température, avec les atomes agités, qu’à basse température où les atomes sont figés. À l’inverse, à basse température, le désordre et, donc, l’entropie diminuent, ainsi que la symétrie.

Dans notre étude, nous observons pourtant le phénomène inverse : le matériau que nous étudions est plus symétrique en dessous de -40 °C qu’au-dessus. En d’autres termes, les molécules sont sur des positions désordonnées droite/gauche à basse température et ordonnées à haute température et donc, ici, à température ambiante.

Plusieurs types de désordre en compétition

Ce phénomène est rendu possible grâce au « désordre électronique ».

En effet, dans le matériau étudié, les états à haute et basse température correspondent aussi à deux états magnétiques.

À basse température, le matériau est dans l’état appelé « diamagnétique », c’est-à-dire que les électrons vivent en couple et que leurs spins (leurs moments magnétiques) sont opposés – c’est une contrainte imposée par la mécanique quantique. Ceci correspond à un état électronique ordonné, car il n’y a qu’une configuration possible : un spin vers le haut, l’autre vers le bas.

À haute température, au contraire, le matériau est dans l’état « paramagnétique », c’est-à-dire que les électrons sont célibataires et leurs spins peuvent s’orienter librement, ce qui donne lieu à plusieurs configurations (quelques-uns vers le haut, les autres vers le bas, comme illustré par les flèches rouges sur la figure ci-dessus).

En chauffant, nous favorisons le désordre « électronique » (le grand nombre de configurations des spins). Ce désordre entre en compétition avec la mise en ordre des positions des atomes.

Le gain en entropie lié au désordre électronique (qui passe d’une seule configuration à cinq) est alors plus grand que le coût en entropie lié à la mise en ordre des atomes (de deux configurations à une seule). D’autres phénomènes viennent aussi contribuer à cette augmentation d’entropie.

Au final, l’entropie globale, incluant désordre atomique et électronique, augmente donc bien avec la température comme l’imposent les lois de la physique. C’est donc le désordre des électrons qui autorise de geler les positions des molécules.

Par conséquent, ce nouveau concept, combinant désordre électronique et ordre atomique, ouvre la voie au développement de nouveaux matériaux pour des dispositifs tels que des capteurs, des mémoires, des transducteurs ou des actionneurs fonctionnant à température ambiante, sans recours aux basses températures.

Éric Collet, Professeur de Physique, expert en sciences des matériaux

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.