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Nouvelle scientifique

 

Paris, le 11 décembre 2015

 

Voyage au cœur d'une nanogoutte

 

Des chercheurs français du CNRS et de l'Université Lyon1, en collaboration avec l'université d'Innsbruck, ont observé l'évaporation de molécules d'eau par une nanogoutte. C'est avec une nouvelle méthode de mesure issue de la physique des particules que les physiciens ont analysé avec précision la redistribution de l'énergie au sein de gouttes d'eau contenant un tout petit nombre de molécules. Les résultats sont publiés dans la revue Angewandte Chemie du 1er décembre 2015.

 

Le phénomène d'évaporation est omniprésent dans notre vie quotidienne mais aussi dans celle de la planète puisque l'eau joue un rôle essentiel dans la définition du climat. En effet, l'évaporation intervient dans le bilan radiatif de par l'absorption du rayonnement solaire et du rayonnement émis par la surface terrestre, et dans le bilan thermique de par les échanges de chaleur liés aux changements d'états de l'eau. À l'échelle moléculaire, l'évaporation de l'eau consiste en l'éjection de molécules par l'eau liquide. Ce phénomène est révélateur des transferts d'énergie entre les molécules d'eau à l'intérieur de la goutte.

 

Illustration sur la page de couverture de la revue Angewandte Chemie (Volume 54, Issue 49)

associée aux travaux de la collaboration franco-autrichienne


Goutte à goutte pour des millions de nanogouttes

Une équipe franco-autrichienne a produit en laboratoire des petites gouttes d'eau ionisées de différentes tailles. Ces dernières ont ensuite été accélérées à très haute vitesse et amenées à rentrer en collision avec d'autres particules. C'est leur dissociation suite à la collision qui a été observée à l'aide d'un nouveau type de spectromètre de masse permettant l'observation et l'analyse détaillée de chaque goutte. Pour chacune des millions de gouttes étudiées, les chercheurs ont enregistré le nombre de molécules évaporées ainsi que leur vitesse. Ces mesures sont caractéristiques du mécanisme de thermalisation à l'intérieur de la goutte.

 

Plus la taille de la goutte d'eau est importante, plus la distribution des vitesses se rapproche du comportement attendu pour des gouttes d'eau macroscopiques. Néanmoins, les résultats mettent en évidence l'éjection de molécules à des vitesses plus élevées que celles prévues pour l'équilibre thermique. Cette contribution distincte à haute vitesse témoigne d'une évaporation moléculaire avant une redistribution totale de l'énergie, relevant d'un comportement « non-ergodique ». L'origine de ces comportements « non-ergodiques » a pu être expliquée par les chercheurs à l'aide de simulations numériques de dynamique moléculaire.

 

Ces travaux permettent d'apporter un point de vue approfondi sur les propriétés de liaison entre les molécules d'eau, notamment sur les transferts d'énergie à l'intérieur de la goutte. Les résultats de cette étude ont été publiés dans l'édition internationale de revue de la société des chimistes allemands Angewandte Chemie.


Laboratoires impliqués dans la collaboration

Ces travaux ont été réalisés auprès du dispositif d'irradiation d'agrégats moléculaires (Diam) de l'IPNL. Ils sont le fruit d'une collaboration internationale impliquant des chercheurs des laboratoires suivants :

  • Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL, CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1)
  • Laboratoire interdisciplinaire de physique (LIphy, CNRS/Université Joseph Fourier)
  • Institut des sciences analytiques (ISA, CNRS/ Université Claude Bernard Lyon 1)
  • Institut für Ionenphysik und Angewandte Physik, (Leopold Franzens Universität) à Innsbruck en Autriche

Pour en savoir plus


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