Coopération scientifique franco-autrichienne : avancées dans la compréhension de la thermalisation dans une goutte d’eau

Ces recherches ont été menées par une équipe de scientifiques réunie autour de Michel Farizon de l’Université de Lyon et de Tilmann Märk de l’Université d’Innsbruck. Le nouveau dispositif expérimental (DIAM-Institut de Physique Nucléaire de Lyon) a permis aux chercheurs d’observer en détail le processus d’évaporation pour des gouttes d’eau sub-microscopiques. Le phénomène d’évaporation est associé à l’exceptionnelle efficacité de l’eau pour thermaliser un système. Le rôle de l’eau dans la définition du climat en est un exemple. Mais qu’en est-il quand la taille des gouttes est réduite à seulement quelques molécules ?

De petites gouttes d’eau ionisée de différentes tailles sont produites en laboratoire. Ces dernières sont ensuite accélérées à très haute vitesse et amenées à rentrer en collision avec d’autres particules. C’est leur dissociation suite à la collision qui est 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 enregistrent le nombre de molécules évaporées ainsi que la vitesse des molécules évaporées. Ces mesures sont caractéristiques du mécanisme de thermalisation à l’intérieur de la goutte.

Lorsque la taille de la goutte d’eau croit, la distribution des vitesses se rapproche rapidement 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 des composantes des gouttes d’eau notamment sur les transferts d’énergie au sein de ces dernières. Les résultats de cette étude ont été publiés dans l’édition internationale de revue de la société des chimistes allemands « Angewandte Chemie ».

Hassan Abdoul-Carime, Francis Berthias, Linda Feketeová, Mathieu Marciante, Florent Calvo, Valérian Forquet, Henry Chermette, Bernadette Farizon, Michel Farizon, and Tilmann D. Märk ; "Velocity of a Molecule Evaporated from a Water Nanodroplet : Maxwell—Boltzmann Statistics versus Non-Ergodic Events" ; Angewandte Chemie, International Edition 2015, DOI : 10.1002/anie.201505890

C’est dans le cadre du programme de collaboration bilatérale Amadeus (Partenariats Hubert Curien) prolongé par l’un des premiers programmes PICS France Autriche que l’équipe Interaction Particules Matière de l’Institut de Physique Nucléaire de Lyon et le professeur Tilman Märk ont tissé des liens privilégiés. Les résultats de cette collaboration ont fait l’objet de nombreuses publications dans des revues internationales et de plusieurs communiqués de presse (en France, en Autriche ainsi qu’aux Etats-Unis). Ces liens bilatéraux ont pris une dimension européenne en initiant l’Action COST P9, programme de COopération Scientifique et Technique européen sur l’effet des rayonnements dans les systèmes bio-moléculaires. Le programme de recherche associe problématiques fondamentales et développement d’instruments innovants pour les sciences analytiques.

Rédacteur(s) : Etienne Gonon-Pelletier