évaporation

Imaginez un minuscule trou dans une feuille de graphène : un atome de carbone manquant. On pensait jusqu'ici que la molécule d'eau ne se brisait sur ce défaut que seule, dans un gaz sec. Mais si de l'eau liquide clapote tout autour, tout change.

Dans la chambre sombre du piège, des milliers de particules chargées dansent sous l'effet des champs électriques. Au début, elles se déplacent librement, comme une foule sur une place, mais dès qu'on refroidit le nuage, la danse ralentit : les ions commencent à se sentir mutuellement, leurs pas deviennent contraints.

La caméra ne filme pas une course, mais une danse d'atomes. Dans le dioxyde de vanadium, la transition de l'état isolant à l'état métallique se produit en quelques trillionèmes de seconde, mais jusqu'à présent, personne n'avait vu comment les atomes de vanadium et d'oxygène se déplacent exactement.

Une bulle d'hydrogène sur une électrode de platine se comporte comme un nageur qui tente de remonter à la surface, mais à chaque fois qu'il est sur le point de se détacher, quelque chose l'attrape par les chevilles.

Dans une casserole sur la cuisinière, l'eau commence à bouillonner par le bas, bien avant que toute la masse ne soit en ébullition. Les bulles de vapeur montent du fond, alors que la plaque n'est pas encore rouge.

La saison des bains s'ouvre lorsque l'eau semble supportable. Mais chacun a son seuil : l'un grelotte à vingt degrés, l'autre nage tranquillement à quinze. Des scientifiques ont voulu comprendre d'où vient cette différence. Ils ont comparé le corps du nageur à une maison qui tente de conserver sa chaleur tandis qu'un vent froid souffle à l'extérieur.

Le plasma est un gaz dans lequel les électrons sont arrachés aux atomes et se déplacent librement. Parfois, dans un tel gaz, des régions apparaissent spontanément où il n'y a presque plus d'électrons : on les appelle des trous. Comme dans un cours d'eau, un tourbillon se forme et aspire tout autour de lui.

Une goutte d'eau salée sèche sur une table. Le sel ne se dépose pas n'importe où : d'abord, des cristaux apparaissent sur le bord, formant un anneau, comme le marc de café au fond d'une tasse. Ce comportement est familier à quiconque a vu la trace d'une goutte séchée. Mais que se passe-t-il si la goutte contient des bactéries capables de nager ?

Dans une immense salle, des boules de billard sont éparpillées. Au début, elles sont clairsemées, chacune de son côté. Puis quelqu'un en ajoute d'autres — et soudain, les boules se compriment en îlots denses. C'est cela, la transition de phase — le moment où la matière change brusquement d'état.

L'eau se transforme en glace à zéro degré — brusquement, sans états intermédiaires. Quelque chose de similaire se produit avec la complexité lorsque l'on prend un état quantique aléatoire d'un système entier et que l'on ne regarde qu'une partie de celui-ci. Tant que cette partie occupe moins de la moitié du système, sa complexité croît régulièrement.

Dans les premiers instants de sa vie, l'Univers ressemblait à un chaudron bouillonnant. En refroidissant, il a connu des transitions de phase — un peu comme la vapeur se transforme en eau, mais au lieu de molécules, c'était l'état de l'espace lui-même qui changeait. Dans ce chaudron naissaient des bulles de la nouvelle phase, semblables aux bulles d'une casserole en ébullition.

La matière noire est la charpente invisible qui soutient les galaxies. Mais comment est-elle apparue ? La réponse standard : les particules de matière noire ont cessé de se heurter et se sont « figées » en la quantité que nous observons aujourd'hui. Cependant, il existe une voie plus subtile : l'UFO, ou congélation ultra-rapide.

Si l'on comprime de l'eau entre deux plaques de verre de manière à ne laisser que deux couches de molécules, elle se transforme en quelque chose d'intermédiaire entre liquide et glace. À température ambiante, les molécules dans ce piège bougent encore, mais s'organisent déjà en une sorte de réseau cristallin.

L'eau se précipite dans un gouffre, mais une partie remonte en bouillonnant et en écumant au bord. C'est à peu près ce que fait le gaz qui s'écoule vers un trou noir supermassif lorsque son flux devient trop dense. Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont suivi ce phénomène à l'aide d'une simulation informatique.

Un cuisinier verse du sirop de sucre chaud sur une table froide, et il se fige en cristaux. C'est à peu près ainsi que les ingénieurs imaginaient la solidification des métaux : le liquide devient directement un amas de grains cristallins. Mais un gros plan vidéo a montré qu'une étape supplémentaire s'intercale entre le liquide et le solide.

Étalons une poignée de pièces sur une table. Chaque pièce représente un résultat possible : pile, face, ou autre chose. Si l'on connaît le degré de chaos de cet ensemble (son entropie), quelles combinaisons de probabilités rencontrera-t-on le plus souvent ? Il s'avère que la réponse dépend de la quantité de chaos que l'on autorise.

L'eau d'une rivière forme souvent des tourbillons. Mais dans les semi-conducteurs — la base des puces électroniques — les électrons, à basse température et avec une grande pureté, se transforment eux aussi en liquide.

Un navire qui glisse sur l'eau frotte constamment contre elle, comme une paume contre une surface rugueuse. Ce frottement consomme du carburant et ralentit la progression. L'un des moyens de le réduire est d'injecter de l'air sous la coque : l'eau cesse d'adhérer à la coque et la résistance diminue.

Dans un morceau solide d'alliage d'étain et de plomb, les couches des deux métaux sont empilées comme les pages d'un livre. Lorsqu'on chauffe par un côté, les couches ne fondent pas uniformément, mais en formant des langues et des doigts capricieux.

Une casserole en aluminium sur la cuisinière fond à 660 degrés Celsius, tout le monde le sait. Mais que se passe-t-il si on chauffe l'aluminium cent fois plus fort ? Le liquide se met à bouillir, et c'est là que le mystère commence : à quelle température exactement ?

Un cristal de cuivre est comprimé dans une enclume de diamant. La pression augmente, et à l'intérieur du matériau se déroule une lutte entre deux états : l'un prépare les électrons à la supraconductivité, l'autre, au contraire, les empêche de s'associer. Les scientifiques ont suivi cette lutte à l'aide d'impulsions laser ultrabrèves.

L'eau peut être de la glace, du liquide ou de la vapeur. Les physiciens appellent ces états des phases. En théorie, chaque phase a sa propre mesure — une façon de décrire à quel point elle est probable. Mais toute mesure que l'on peut imaginer ne se rencontre pas dans la nature. Certaines phases sont réelles, d'autres ne sont qu'une illusion mathématique.

Le verre à vitre ordinaire semble figé pour l'éternité, mais à l'intérieur, les atomes ne restent jamais en place. Dans le tellurure de germanium amorphe (GeTe) — un matériau utilisé dans les disques réinscriptibles et les mémoires non volatiles —, des physiciens ont pour la première fois suivi directement comment les liaisons atomiques s'étirent et se plient en quelques…

Dans les profondeurs de la Terre, l'eau est comprimée plus de mille fois plus qu'en surface. Même là, elle continue de s'écouler, mais sa structure interne change.

De l'eau dans une casserole qui, au lieu de bouillir, se transformerait en glace. C'est à peu près ce que font des atomes ultrafroids dans un réseau optique — un treillis cristallin de lumière qui maintient les atomes en place.

Un moteur thermique ordinaire, c'est comme un moulin entre deux rives, l'une chaude, l'autre froide : plus la dénivellation est grande, plus le courant est fort. Ici, l'écart est minuscule, à peine un ou deux degrés, mais l'eau peut quand même faire tourner la roue. Le secret ?

Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite.

Une goutte de café sur une table sèche et laisse un anneau — les particules de café s'accumulent sur le bord. Si en revanche des nanoparticules chargées nagent dans la goutte, le tableau s'enrichit : le dépôt se fissure comme la boue d'une flaque desséchée.

Dans un verre d'eau gazeuse, les bulles remontent joyeusement à la surface. Mais si l'on gèle l'eau, certaines bulles se retrouvent prisonnières de la glace. Comment y arrivent-elles ? Car la glace pousse en repoussant le gaz – mais elle n'y parvient pas toujours.

Un morceau de matériau brille en bleu. On le chauffe, et la lueur devient verte, comme si quelqu'un avait actionné un feu tricolore. C'est ainsi que fonctionne le nouveau thermomètre luminescent décrit dans l'article. À l'intérieur du matériau se trouvent des ions de terbium, un métal de terre rare qui sait émettre de la lumière.

Une goutte d'huile dans l'eau se comporte comme une petite bille : elle cherche à occuper la position de moindre énergie. S'il y a une paroi à proximité, la goutte s'y colle souvent — tout comme une goutte de pluie s'étale sur une vitre.

L'hélium sur du graphite se comporte comme un acrobate qui glisse sur un câble tout en gardant sa posture.

Un mince filet d'eau coule sur une planche froide et inclinée et se transforme sous vos yeux en une crête de glace. D'abord, l'eau se fraye un chemin droit dans la glace, comme si elle renforçait ses propres berges. Puis le ruisselet commence à serpenter, et la glace s'étale rapidement sur les côtés. Enfin, la crête cesse de s'élargir et commence à s'épaissir, lissant les irrégularités.

L'hélium superfluide hélium s'écoule sans frottement, et des tourbillons y naissent — des entonnoirs microscopiques, semblables à ceux de l'eau eau. Deux de ces tourbillons peuvent jouer à saute-mouton : l'un saute par-dessus l'autre, et ils bondissent en cercle.