L'eau gelée peut prendre jusqu'à trois formes en même temps lorsqu'elle fond :liquide, glace et gaz. Ce principe, qui stipule que de nombreuses substances peuvent se produire simultanément dans jusqu'à trois phases, a été expliqué il y a 150 ans par la règle des phases de Gibbs. Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de Technologie d'Eindhoven et de l'Université Paris-Saclay défient cette théorie classique, avec preuve d'un équilibre à cinq phases, quelque chose que de nombreux érudits considéraient comme impossible. Ces nouvelles connaissances fournissent des informations utiles pour les industries qui travaillent avec des mélanges complexes, comme dans la production de mayonnaise, peinture ou écrans LCD. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Lettres d'examen physique .

Le fondateur de la thermodynamique et de la chimie physique contemporaines est le physicien américain Josiah Willard Gibbs. Dans les années 1870, il a dérivé la règle de phase, qui décrit le nombre maximum de phases différentes qu'une substance ou un mélange de substances peut assumer simultanément. Pour les substances pures, la règle de phase de Gibbs prédit un maximum de trois phases.

Professeur Remco Tuinier, de l'Institut des systèmes moléculaires complexes, dit, "À l'époque, Einstein a appelé la thermodynamique de Gibbs la seule théorie à laquelle il avait vraiment confiance. Si nous prenons l'eau comme exemple, il y a un point, avec une température et une pression spécifiques, où l'eau se présente sous forme de gaz, liquide et glace en même temps, le soi-disant point triple.

Professeur adjoint Mark Vis, du même groupe de recherche que Tuinier, dit, "Cette règle de phase de Gibbs classique est aussi solide qu'un roc et n'a jamais été défiée."

LA FORME COMPTE

Selon cette règle de phase, le mélange étudié par les chercheurs présenterait également un maximum de trois phases à un moment précis en même temps. Mais Tuinier et ses collègues montrent maintenant que dans ce mélange, il y a toute une série de circonstances dans lesquelles quatre phases existent en même temps. Il y a même un point où il y a cinq phases coexistantes - deux de trop, selon Gibbs. A ce moment précis, aussi appelé équilibre à cinq phases, une phase gazeuse, deux phases de cristaux liquides, et deux phases solides avec des cristaux «ordinaires» existent simultanément. Et cela n'a jamais été vu auparavant. "C'est la première fois que la fameuse règle de Gibbs est enfreinte, " dit Vis.

Le point crucial réside dans la forme des particules dans le mélange. Gibbs n'a pas pris cela en considération, mais les scientifiques d'Eindhoven montrent maintenant que c'est précisément la longueur et le diamètre spécifiques des particules qui jouent un rôle majeur. Tuinier dit, "En plus des variables connues de température et de pression, vous obtenez deux variables supplémentaires :la longueur de la particule par rapport à son diamètre, et le diamètre de la particule par rapport au diamètre des autres particules dans la solution."

Cannes classées

Dans leurs modèles théoriques, les chercheurs ont travaillé avec un mélange de deux substances dans un solvant de fond :des bâtonnets et des polymères. C'est ce qu'on appelle aussi un système colloïdal, dans lequel les particules sont solides et le milieu est liquide. Parce que les particules ne peuvent pas occuper exactement le même espace, ils interagissent entre eux. « Ceci est aussi appelé l'effet de volume exclu ; cela amène les tiges à vouloir s'asseoir ensemble. Ils sont, comme c'était, poussés l'un vers l'autre par les chaînes polymères. De cette façon, vous obtenez une région dans le mélange qui contient principalement des tiges, et une zone riche en polymères, " explique Tuinier. " Les tiges s'enfoncent alors au fond, car ils sont généralement plus lourds. C'est le début de la ségrégation, créer des phases."

La partie inférieure, qui contient principalement des tiges, finira par devenir si encombré que les tiges interféreront les unes avec les autres. Ils prennent alors une position préférentielle, pour qu'ils se gênent moins.

Les tiges sont disposées de manière ordonnée les unes à côté des autres. Finalement, ils présentent cinq phases différentes :une phase gazeuse avec des tiges non alignées au sommet (une phase isotrope), une phase liquide avec des bâtonnets pointant sensiblement dans la même direction (cristal liquide nématique), une phase liquide avec des bâtonnets disposés en différentes couches (cristal liquide smectique), et deux phases solides au fond.

Mayonnaise et moniteurs

Vis :"Notre recherche contribue aux connaissances fondamentales sur ce type de transition de phase et aide à comprendre et à prédire plus précisément quand ces types de transition se produisent." La découverte est utile dans de nombreux domaines. Pensez au pompage de mélanges complexes dans des réacteurs industriels, fabriquer des produits complexes comme des mélanges colloïdaux comme la mayonnaise et la peinture, ou de la glace qui se forme sur les vitres des voitures et de la glace noire sur les routes.

Même dans les cristaux liquides dans les moniteurs, ces processus jouent un rôle. "La plupart des industries choisissent de travailler avec un système monophasé, où il n'y a pas de ségrégation. Mais si les transitions exactes sont clairement décrites, alors l'industrie peut réellement utiliser ces différentes phases au lieu de les éviter, " dit Vis.

C'est plus ou moins par hasard que les chercheurs sont parvenus à un équilibre de plus de trois phases. Lors de la simulation et de la programmation de particules et de polymères en forme de plaque, doctorat les étudiants Álvaro González García et Vincent Peters du groupe de Tuinier ont vu un équilibre en quatre phases. Tuinier dit, "Álvaro est venu me voir un jour et m'a demandé ce qui n'allait pas. Parce que quatre phases ne pouvaient tout simplement pas être correctes."

Ensuite, les chercheurs ont essayé plusieurs formes, tels que des cubes et aussi des tiges. Tuinier dit, "Avec les cannes, la plupart des phases se sont avérées possibles, nous avons même trouvé un équilibre à cinq phases. Cela pourrait aussi signifier que des équilibres encore plus compliqués sont possibles, tant que vous recherchez assez longtemps des formes de particules différentes et complexes."