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À l’état naturel, l’or adopte une structure cristalline cubique ; cette configuration simple en fait un élément commun dans les expériences à hautes pressions. Toutefois, lorsque l’or est rapidement soumis à des températures et pressions extrêmes, de l’ordre de celles trouvées au centre de la Terre,  il adopte une structure particulière jusqu’alors inconnue des physiciens. C’est la récente découverte effectuée par des chercheurs à l’aide de lasers à haute énergie.

Cette découverte provient d’une nouvelle étude dans laquelle des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) et de la Carnegie Institution for Science ont appliqué de fortes contraintes sur l’or à l’Argonne National Laboratory. À l’aide d’un laser à haute énergie, ils ont chauffé l’or à des températures extrêmes et l’ont comprimé à des pressions aussi élevées que celles du centre de la Terre. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.

Un laser pour soumettre l’or à des conditions extrêmes

Plus précisément, ils ont placé un petit morceau de plastique devant un morceau d’or, puis ont tiré un laser à haute énergie à travers le plastique, ce qui « provoque essentiellement une explosion qui envoie le plastique dans un sens et produit des ondes de choc dans la direction opposée » explique Richard Briggs, auteur principal de l’étude , physicien au LLNL.

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Dispositif expérimental utilisé par les chercheurs. Un laser à haute énergie a été utilisé pour créer des ondes de choc comprimant et chauffant l’or à des pressions et températures extrêmes. Crédits : R. Briggs et al. 2019

Ces ondes de choc ont frappé l’or et l’ont fait se compresser et se réchauffer extrêmement rapidement, en quelques nanosecondes. Ils ont ensuite frappé l’or avec des rayons X afin de comprendre sa structure. C’est « la première fois que nous sommes capables d’atteindre de telles conditions de pression et de température élevées, et de les observer en même temps en utilisant des rayons X » indique Briggs.

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Une nouvelle structure atomique

L’or forme généralement une structure cristalline que les physiciens des matériaux appellent cubique à faces centrées (fcc). Imaginez un cube comme un dé. Des atomes seraient posés à chaque sommet d’angle et face. Mais la plupart des expériences antérieures menées sur l’or ont impliqué une compression lente à température ambiante.

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Mais lorsque Briggs et son équipe ont rapidement comprimé l’or à des températures élevées, il a formé ce qu’on appelle une structure cubique centrée sur le corps (bcc). Cette structure plus ouverte englobe les atomes dans un espace de manière moins efficace ; l’or n’adopte donc pas naturellement cette configuration.

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Diagramme caractérisant les différents états de l’or en fonction de l’énergie et de la pression. Crédits : R. Briggs et al. 2019

La découverte de celle nouvelle structure pourrait changer la façon dont les scientifiques utilisent l’élément comme standard dans les expériences à haute pression.

L’équipe a découvert que la structure de l’or commençait à changer de fcc à bcc aux alentours de 220 gigapascals (GPa), ce qui correspond à 2.2 millions de fois la pression atmosphérique de notre planète. De plus, lorsque les chercheurs ont compressé l’or au-delà de 250 GPa à des pressions équivalentes à celles du centre de la Terre (environ 330 GPa), il a fondu.

Sources : Physical Review Letters

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