Gaz noble gelé dans l'accélérateur
Des chercheurs de l'European XFEL à Schenefeld près de Hambourg ont examiné de plus près la formation de la première cristallisation de noyaux dans des liquides surfondus. C'est ce qu'ils ont constaté : La formation commence beaucoup plus tard qu'on ne l'avait supposé. Ces résultats pourraient aider à mieux comprendre la création de glace dans les nuages à l'avenir et à décrire plus précisément certains processus à l'intérieur de la Terre.
La figure de diffraction résulte de 34 000 expositions aux rayons X d'un jet de krypton peu après le début de la nucléation des cristaux. Les anneaux indiquent la diffusion des rayons X à partir de plans moléculaires spécifiques à l'intérieur des petits cristaux
© European XFEL
Tous les enfants savent que l'eau se transforme en glace par grand froid. Pour l'eau, cela se produit normalement en dessous de zéro degré Celsius, la température de fusion de l'eau. Il s'agit d'un point fixe sur l'échelle de température Celsius que nous utilisons.
Cependant, le passage de la phase liquide à la phase solide est un processus très complexe et difficile à étudier expérimentalement au niveau atomique. Cela s'explique notamment par le fait que les cristaux se forment de manière aléatoire : On ne sait pas exactement où et quand cela se produira. En outre, un liquide peut rester longtemps dans un état métastable : Il reste liquide même s'il devrait geler et devenir solide. Il est donc extrêmement difficile de déterminer le bon moment pour la formation d'un cristal et d'observer sa croissance.
Cependant, ces effets sont très importants dans la nature. Par exemple, ils jouent un rôle décisif dans la formation de la glace dans les nuages ou dans les processus à l'intérieur de la Terre.
En utilisant les flashs intenses de rayons X du laser à électrons libres de l'European XFEL, une équipe internationale de chercheurs de l'European XFEL à Schenefeld près de Hambourg a maintenant réussi à mesurer avec précision la nucléation de liquides surfondus. Les expériences se sont déroulées sous vide afin que la lumière des rayons X n'interagisse pas avec les molécules de l'air, ce qui perturberait les expériences. Toutefois, en raison de sa complexité, l'eau est l'un des liquides les plus difficiles à modéliser. C'est pourquoi les chercheurs ont utilisé l'argon et le krypton sous forme liquide dans leurs expériences. En fait, les liquides de gaz rares surfondus sont les seuls systèmes pour lesquels des prédictions théoriques fiables peuvent être faites à l'heure actuelle.
Les chercheurs ont explicitement étudié ce que l'on appelle le taux de nucléation des cristaux J(T). Il s'agit d'une mesure de la probabilité qu'un cristal se forme dans un certain volume en un certain temps. La vitesse à laquelle cela se produit est un paramètre important, par exemple pour pouvoir décrire mathématiquement des processus réels dans des modèles - dans les prévisions météorologiques, par exemple, ou dans les modèles climatiques.
Comme il est très difficile de mesurer la formation réelle des cristaux, on a souvent recours à des simulations. Cependant, celles-ci sont associées à de grandes incertitudes. Par exemple, les taux de nucléation simulés pour l'eau peuvent s'écarter de plusieurs ordres de grandeur de ceux mesurés expérimentalement, ce qui rend la modélisation imprécise.
Le laser à rayons X de l'European XFEL est idéal pour ce type d'études : grâce à des flashs de rayons X intenses, les chercheurs peuvent étudier les changements très rapides dans le développement de la cristallisation.
L'équipe a choisi l'instrument MID (MID = Materials Imaging and Dynamics) pour ses expériences. Ils ont bombardé les jets de liquide avec des impulsions de rayons X d'une énergie de 9,7 kiloélectronvolts (keV). Chaque impulsion de rayons X a duré moins de 25 femtosecondes - une femtoseconde correspond à un quadrillionième de seconde. À titre d'illustration, la lumière parcourt moins d'un millimètre dans ce laps de temps.
Les expérimentateurs ont dirigé la lumière intense des rayons X sur le jet de liquide, qui ne mesurait que 3,5 micromètres d'épaisseur, en la concentrant sur une surface d'un diamètre inférieur à un micromètre. Au total, l'équipe a enregistré plusieurs millions d'images de diffraction afin de disposer de statistiques suffisantes et de déterminer le taux de formation des cristaux avec une précision suffisante.
Selon leurs résultats, les taux de nucléation des cristaux sont beaucoup plus faibles que ceux prédits sur la base de simulations et de la théorie classique. "L'étude promet d'élargir considérablement notre compréhension de la cristallisation", déclare Johannes Möller de l'instrument MID de l'European XFEL. "Les résultats montrent que la théorie classique largement utilisée de la formation des cristaux à partir de la phase liquide s'écarte considérablement de la réalité", explique Möller. "Nous pensons que notre approche permettra de tester pour la première fois diverses extensions de la théorie classique pour prédire la cristallisation", ajoute Robert Grisenti du GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, l'auteur principal de l'étude. "Nos résultats aideront les théoriciens à affiner leurs modèles à l'avenir.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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