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La notion de nombre d’oxydation (ou degré d’oxydation) est relativement familière à toute personne ayant étudié la chimie ; il s’agit du nombre de charges élémentaires, réelles ou fictives, portées par un atome au sein d’une espèce chimique. Toutefois, même s’ils sont utilisés quotidiennement, les nombres d’oxydation ne possèdent aucune explication rigoureuse du point de vue de la mécanique quantique. Des chercheurs italiens ont ainsi proposé une explication précise de ces nombres, basée sur la théorie des transports de charges.

Une nouvelle étude publiée dans la revue Nature Physics, propose une définition des nombres d’oxydation basée sur la théorie des nombres quantiques topologiques. Cette dernière fut d’ailleurs récompensée par le prix Nobel de physique 2016 attribué à Thouless, Haldane et Kosterlitz.

Ce nouveau résultat, combiné aux avancées récentes de la théorie du transport réalisées par la SISSA, ouvre la voie à une simulation numérique précise d’une vaste classe de matériaux importants pour les technologies liées à l’énergie et les sciences planétaires.

Chaque étudiant de premier cycle en sciences naturelles, apprend à associer un nombre entier d’oxydation à une espèce chimique participant à une réaction. Malheureusement, le concept même d’état d’oxydation a jusqu’à présent échappé à une définition rigoureuse de la mécanique quantique, de sorte qu’aucune méthode jusqu’à maintenant n’était connue pour calculer les nombres d’oxydation à partir des lois fondamentales de la nature.

Parallèlement, l’évaluation des courants électriques dans les conducteurs ioniques, qui est nécessaire pour modéliser leurs propriétés de transport, repose actuellement sur une approche fastidieuse en mécanique quantique, qui limite considérablement la faisabilité des simulations informatiques à grande échelle. Les chercheurs ont récemment remarqué qu’un modèle simplifié, dans lequel chaque atome supporte une charge égale à son nombre d’oxydation, peut donner des résultats surprenants.

Une définition quantique basée sur la théorie des transports de charges

En combinant la nouvelle définition topologique du nombre d’oxydation avec la prétendue « invariance de jauge » des coefficients de transport récemment découverte à la SISSA, Federico Grasselli et Stefano Baroni ont prouvé que ce qui était considéré comme une simple coïncidence repose en réalité sur de solides fondements théoriques, et que le modèle simple à charge entière capture les propriétés de transport électrique des conducteurs ioniques sans approximations.

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Modélisation du transport d’une charge ionique (K) au sein d’un milieu liquide (KCl). La quantification de la charge au cours de ce phénomène permet de définir quantiquement les nombres d’oxydation. Crédits : Grasselli/Baroni

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En plus de résoudre une énigme fondamentale en physique de la matière condensée, ce résultat représente également une avancée décisive pour les applications, permettant des simulations quantiques réalisables du transport de charges dans les systèmes ioniques, le développement de nouvelles technologies liées à l’énergie, bénéficiant aux secteurs de l’automobile et des télécommunications ainsi qu’aux sciences planétaires.

nombres oxydation

Les nombres d’oxydation sont définis à partir de la charge entière transportée lors des trajets atomiques périodiques, conformément à la théorie de Thouless de la quantification du transport de charge. La figure montre un trajet d’énergie minimale d’un ion K dans un modèle de KCl liquide. Crédits : Grasselli/Baroni

Ces applications vont des mélanges ioniques adoptés dans les cellules électrolytiques et les échangeurs de chaleur des centrales électriques aux batteries à électrolyte solide pour voitures électriques et dispositifs électroniques, en passant par les phases exotiques conductrices de l’eau, qui se produisent à l’intérieur des planètes géantes glacées et qui sont supposées être liées à l’origine des champs magnétiques de ces dernières.

Sources : Nature Physics

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