Mars 2010 - Comment les molécules d'eau adhèrent à
une gouttelette du même liquide ?
Des chercheurs du Laboratoire collisions agrégats réactivité
(LCAR, CNRS/Université Toulouse 3) ont réalisé une
expérience qui montre comment le collage d'une molécule
d'eau sur un agrégat d'eau (petites gouttelettes composées
d'une dizaine à quelques centaines d'atomes) dépend de la
vitesse d'impact. Selon qu'elle soit lente ou rapide, l'agrégat
se comporte comme un objet « mou» ou «dur», favorisant
ou défavorisant respectivement le collage de la molécule
sur l'agrégat. Ces travaux publiés le 10 mars 2010 sur le
site de la revue Physical Review Letters apportent une brique supplémentaire
dans l'édifice de la théorie de la nucléation (phénomène
de croissance des agrégats). Un phénomène omniprésent
aussi bien dans la nature que dans les réalisations technologiques
de l'homme, par exemple dans la formation des nuages ou des traînées
de condensation des avions.
Avec quelle efficacité une molécule d'eau se colle
sur un agrégat d'eau ? C'est ce que cherchaient à comprendre
les scientifiques du Laboratoire collisions agrégats réactivité.
Pour cela ils ont réalisé une expérience originale
dont les résultats sont quelque peu inattendus : à basse
vitesse d'impact, l'agrégat d'eau se comporte comme un objet «
mou » qui absorbe l'énergie de collision, favorisant ainsi
le collage, tandis qu'à plus haute vitesse d'impact, il ressemble
à un objet « dur », sur lequel rebondit la molécule,
empêchant l'adhésion.
Dans une gamme d'énergies de collision suffisamment basses, les
mesures effectuées ont montré que la probabilité
de collage ne pouvait pas s'interpréter uniquement en termes d'énergie
déposée, mais était aussi gouvernée par la
durée de la collision. La probabilité de collage de molécules
d'eau sur des agrégats d'eau a été mesurée
en fonction de la taille de ceux-ci, contrôlée à la
molécule près, pour différentes énergies de
collisions. Dans les conditions des expériences réalisées,
les scientifiques s'attendaient à observer une probabilité
de collage sensiblement plus grande que celle donnée par la probabilité
géométrique de collision, à cause de l'attraction
électrostatique entre la molécule et l'agrégat. Or,
toutes les mesures donnent une probabilité plus petite, ce qui
signifie que souvent la molécule, bien qu'ayant percuté
l'agrégat, ne s'y colle pas.
Ces résultats n'ont pas pu être rationalisés en termes
d'énergie déposée, mais en considérant plutôt
la relation entre la durée de collision et la période de
vibration des molécules d'eau à la surface des agrégats.
Cette période de vibration a pu être extraite quantitativement
à partir des probabilités de collage mesurées et
coïncide exactement avec la période de vibration mesurée
par une technique complètement indépendante. Ceci conforte
l'interprétation des scientifiques : lorsque la durée de
la collision est inférieure à la période de vibration
des molécules d'eau à la surface de l'agrégat, l'énergie
de la collision n'a pas le temps d'être transférée
à celui-ci et la molécule est diffusée sur l'agrégat,
sans coller. Au contraire, lorsque la collision dure suffisamment longtemps,
l'énergie de collision a le temps d'être redistribuée
entre les modes internes de vibration de l'agrégat et le collage
a lieu. Ainsi dans le premier cas, l'agrégat se comporte comme
un objet « dur » sur lequel rebondit la molécule, alors
que dans le second cas il est « mou », ce qui favorise l'absorption
d'énergie et donc le collage.
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© Jean-Marc L'Hermite. La chambre de collage. Sur cette photographie, les agrégats se propagent de droite à gauche. On aperçoit à droite le dispositif de ralentissement des agrégats, au centre la cellule contenant, sous forme de vapeur, les molécules d'eau qui vont se coller sur ces agrégats, et à gauche le système d'accélération électrostatique qui permet de mesurer la taille, à la molécule près, des agrégats obtenus. L'ensemble du dispositif a été conçu et construit au LCAR. |
Références :
"Sticking properties of water clusters", S. Zamith,
P. Feiden, P. Labastie, J-M. L'Hermite, Phys. Rev. Lett., 10 mars 2010.
Contacts :
Chercheur CNRS
Jean-Marc L'Hermite
j-m.lhermite@irsamc.ups-tlse.fr
Presse CNRS
Laetitia Louis
laetitia.louis@cnrs-dir.fr
