Découverte surprenante : les liquides peuvent exister à pression négative

La pression est une grandeur physique que l’on rencontre dans divers domaines, tels que la météorologie, la médecine ou encore la vie quotidienne. Les liquides présentent une caractéristique particulière : ils peuvent exister dans un état métastable correspondant à une valeur de pression négative.

L’état métastable des liquides à pression négative

Dans leur recherche actuelle, les scientifiques du Max Planck Institute examinent l’état métastable des liquides avec une pression négative.

Pour ce faire, l’équipe de recherche a combiné deux techniques uniques dans une étude publiée dans Nature Physics pour mesurer divers états thermodynamiques. Initialement, de petites quantités – nanolitres – d’un liquide étaient encapsulées dans une fibre optique entièrement fermée, permettant des pressions à la fois très positives et négatives.

Ensuite, l’interaction spécifique des ondes optiques et acoustiques dans le liquide a permis la mesure sensible de l’influence de la pression et de la température dans différents états du liquide. Les ondes sonores agissent comme des capteurs pour examiner les valeurs de pression négative, explorant cet état unique de la matière avec une grande précision et une résolution spatiale détaillée.

Une nouvelle méthode de mesure

Avec la méthode présentée ici, les chercheurs ont développé un dispositif minuscule et simple dans lequel ils peuvent effectuer des mesures de pression très précises à l’aide d’ondes lumineuses et sonores. La fibre utilisée à cette fin est seulement aussi épaisse qu’un cheveu humain.

« Certains phénomènes difficiles à explorer avec des méthodes ordinaires et établies peuvent devenir accessibles de manière inattendue lorsque de nouvelles méthodes de mesure sont combinées à de nouvelles plates-formes. Je trouve cela passionnant« , précise le Dr Birgit Stiller, responsable du groupe de recherche sur l’optoacoustique quantique au MPL.

Les ondes sonores utilisées par le groupe peuvent détecter les changements de température, de pression et de contrainte de manière très sensible le long d’une fibre optique. De plus, des mesures résolues spatialement sont possibles, ce qui signifie que les ondes sonores peuvent fournir une image de la situation à l’intérieur de la fibre optique à une résolution d’échelle centimétrique le long de sa longueur.

« Notre méthode nous permet de mieux comprendre les dépendances thermodynamiques dans ce système unique à base de fibres« , explique Alexandra Popp, l’un des deux auteurs principaux de l’article. L’autre auteur principal, Andreas Geilen, ajoute : « Les mesures ont révélé des effets surprenants : « Les mesures ont révélé des effets surprenants. L’observation du régime de pression négative devient tout à fait claire lorsqu’on examine la fréquence des ondes sonores.« 

Applications et perspectives

La combinaison de mesures optoacoustiques avec des fibres capillaires étroitement scellées permet de nouvelles découvertes concernant la surveillance des réactions chimiques dans des liquides toxiques au sein de matériaux et de micro-réacteurs autrement difficiles à étudier. Elle peut pénétrer de nouveaux domaines de la thermodynamique difficiles d’accès.

Ces phénomènes peuvent dévoiler des propriétés auparavant inexplorées et potentiellement nouvelles dans l’état thermodynamique unique des matériaux.

« Cette nouvelle plate-forme de fibres à cœur liquide entièrement scellées permet d’accéder à des pressions élevées et à d’autres régimes thermodynamiques. » explique le professeur Markus Schmidt de l’IPHT à Iéna.

« Il est très intéressant d’étudier et même d’adapter davantage les phénomènes optiques non linéaires dans ce type de fibre » insiste Mario Chemnitz, également de l’IPHT à Iéna.

Birgit Stiller conclut : « La collaboration entre nos groupes de recherche d’Erlangen et d’Iéna, avec leur expertise respective, est unique en ce qu’elle permet d’acquérir de nouvelles connaissances sur les processus et les régimes thermodynamiques sur une plate-forme optique minuscule et facile à manipuler. »

En synthèse

Les recherches sur l’état métastable des liquides à pression négative ouvrent de nouvelles perspectives dans la compréhension des propriétés thermodynamiques et des réactions chimiques. Les techniques innovantes utilisées, combinant ondes optiques et acoustiques, permettent d’étudier cet état unique de la matière avec une grande précision et une résolution spatiale détaillée.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que la pression négative ?

La pression négative est un état métastable dans lequel un liquide peut exister, correspondant à une valeur de pression inférieure à la pression atmosphérique.

2. Comment les chercheurs étudient-ils cet état métastable ?

Les chercheurs utilisent des techniques combinant ondes optiques et acoustiques pour mesurer l’influence de la pression et de la température dans différents états du liquide.

3. Quels sont les avantages de cette nouvelle méthode de mesure ?

Cette méthode permet d’effectuer des mesures de pression très précises à l’aide d’un dispositif minuscule et simple, et d’obtenir des images de la situation à l’intérieur de la fibre optique à une résolution d’échelle centimétrique.

4. Quelles sont les applications potentielles de ces recherches ?

Les résultats pourraient permettre de nouvelles découvertes concernant la surveillance des réactions chimiques dans des liquides toxiques et l’étude de matériaux et de micro-réacteurs autrement difficiles à étudier.

5. Quelle est l’importance de la collaboration entre les groupes de recherche ?

La collaboration entre les groupes de recherche à Erlangen et Jena, avec leur expertise respective, est essentielle pour obtenir de nouvelles perspectives sur les processus et régimes thermodynamiques sur une plateforme optique minuscule et facile à manipuler.

Légende illustration principale : Impression d’artiste d’un capillaire en verre rempli de liquide © Long Huy Dao

Article : « Extreme thermodynamics in nanolitre volumes through stimulated Brillouin–Mandelstam scattering » – DOI: 10.1038/s41567-023-02205-1