La rébellion des métaux

A conditions extrêmes, physique extrême

Question : « Je suis un métal mou et argenté. J’appartiens aux métaux alcalins. Si on ne me trouve pas tel quel dans la nature, je suis très abondant sous forme de composés, par exemple dans le sel. Qui suis-je ? » Le sodium (élément chimique Na). Utilisé en particulier dans l’industrie pharmaceutique, les cosmétiques, les pesticides, le sodium sous sa forme métallique est un réactif essentiel dans la fabrication de composés organiques. Il a été longtemps employé sous forme d’alliage, avec le plomb notamment pour la production de plomb tétraéthyle, un additif essentiel dans le carburant automobile. Aujourd’hui, il revient au devant de la scène à cause de propriétés particulières qu’une équipe de scientifiques a mises au jour et rendues publiques dans la revue Nature : soumis à des conditions extrêmes, le sodium ne se conforme pas aux théories connues des physiciens, il se rebelle !

Normalement, lorsqu’un solide fond, son volume augmente mais cette règle souffre quelques exceptions. Prenons le cas de l’eau : « Heureusement, explique Jean-Yves Raty, chercheur qualifié au FNRS attaché au département de physique de l’ULg, un glaçon qui fond ne se dilate pas et, inversement, une eau qui gèle ne se contracte pas, sinon la vie n’aurait pas pu se développer sur Terre. En effet, si l’eau se contractait en gelant, la glace serait plus dense que l’eau et elle coulerait au fond des océans où elle continuerait de geler. Au final, tout l’océan serait gelé, empêchant la vie dans les océans d’apparaître ou de proliférer. La réalité est tout autre : l’eau se dilate en gelant. C’est pourquoi la glace flotte à la surface des océans, préservant la vie qui fourmille en-dessous. »

Récemment, des physiciens ont découvert que d’autres matériaux présentaient également ce genre d’anomalie. C’est notamment le cas du sodium. Jusqu’il y a peu, ce solide était considéré comme l’archétype du métal simple : on pensait en avoir fait le tour depuis longtemps. Mais, en 2005, une publication vient remettre en cause les certitudes par la mise en lumière de l’existence de propriétés insolites pour le sodium comprimé. « Soumis à une pression croissante, le sodium se contracte. Mais lorsque cette pression dépasse le seuil de 100 giga-Pascal (soit un million de fois la pression atmosphérique), le cristal de sodium se tord au fur et à mesure qu’on cherche à le comprimer. »

Ces changements de la structure électronique du liquide de sodium à haute pression entraînent une modification de toutes ses propriétés. « Nos mesures montrent que la conductivité électrique chute d’un facteur 3 lors de cette transition électronique, précise le chercheur. Les électrons qui ont changé d’état ne sont plus disponibles pour la conduction. Le liquide n’est pas devenu pour autant un isolant, mais il conduit nettement moins bien l’électricité. Enfin, sa nouvelle structure affecte la compressibilité du matériau ainsi que ses propriétés thermiques. » Bref, le sodium devient méconnaissable à haute pression. Il n’est donc pas possible de déduire son comportement sous conditions extrêmes en extrapolant ce qui est observé à pression atmosphérique. A conditions extrêmes, physique extrême. Ce sont tous ces résultats déconcertants qui font l’objet de la publication qui paraît dans la revue Nature.

 

Elisa Di Pietro

Voir l’article détaillé sur www.reflexions.ulg.ac.be

Raty J-Y, Schwegler E., Bonev S.A., Electronic and structural transitions in dense liquid sodium, in Nature 449 (2007).