Les ondes lumineuses et sonores révèlent une pression négative

En tant que grandeur physique, la pression se rencontre dans divers domaines : la pression atmosphérique en météorologie, la tension artérielle en médecine, ou encore dans la vie quotidienne avec les autocuiseurs et les aliments sous vide. La pression est définie comme une force par unité de surface agissant perpendiculairement à la surface d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz. Selon la direction dans laquelle la force agit dans un système fermé, une pression très élevée peut conduire à des réactions explosives dans des cas extrêmes, tandis qu’une pression très faible dans un système fermé peut provoquer l’implosion du système lui-même. La surpression signifie toujours que le gaz ou le liquide pousse de l’intérieur contre les parois de son récipient, comme un ballon qui se dilate lorsqu’on ajoute plus d’air. Qu’il s’agisse d’une pression haute ou basse, la valeur numérique de la pression est toujours positive dans des circonstances normales.

Cependant, les liquides présentent une caractéristique particulière. Ils peuvent exister dans un état métastable spécifique correspondant à une valeur de pression négative. Dans cet état métastable, même une infime influence externe peut provoquer l’effondrement du système dans un état ou un autre. On peut l’imaginer assis au sommet d’une montagne russe : le moindre contact d’un côté ou de l’autre vous envoie dévaler les rails. Dans leurs recherches actuelles, les scientifiques examinent l’état métastable des liquides à pression négative. Pour y parvenir, l’équipe de recherche a combiné deux techniques uniques dans une étude publiée dans Physique naturelle pour mesurer divers états thermodynamiques. Initialement, de minuscules quantités – des nanolitres – d’un liquide étaient encapsulées dans une fibre optique entièrement fermée, permettant des pressions hautement positives et négatives. Par la suite, l’interaction spécifique des ondes optiques et acoustiques dans le liquide a permis de mesurer avec sensibilité 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 haute précision et une résolution spatiale détaillée.

L’influence de la pression négative sur un liquide peut être envisagée comme suit : selon les lois de la thermodynamique, le volume du liquide va diminuer, mais le liquide est retenu dans le capillaire en fibre de verre par des forces adhésives, un peu comme une gouttelette d’eau adhérant à un doigt. Il en résulte un « étirement » du liquide. Il se sépare et se comporte comme un élastique qu’on tend. La mesure de cet état exotique nécessite généralement un équipement complexe avec des précautions de sécurité accrues. Les pressions élevées peuvent s’avérer dangereuses, en particulier avec des liquides toxiques. Le disulfure de carbone, utilisé par les chercheurs dans cette étude, entre dans cette catégorie. En raison de cette complication, les configurations de mesure précédentes pour générer et déterminer des pressions négatives nécessitaient un espace de laboratoire important et constituaient même une perturbation du système à l’état métastable. Avec la méthode présentée ici, les chercheurs ont développé une configuration minuscule et simple dans laquelle ils peuvent effectuer des mesures de pression très précises à l’aide d’ondes lumineuses et sonores. La fibre utilisée à cet effet est 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 avec de nouvelles plates-formes. Je trouve cela passionnant”, déclare le Dr Birgit Stiller, responsable du groupe de recherche en optoacoustique quantique au MPL. Les ondes sonores utilisées par le groupe peuvent détecter de manière très sensible les changements de température, de pression et de contrainte 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 avec une résolution centimétrique sur toute sa longueur. “Notre méthode nous permet de mieux comprendre les dépendances thermodynamiques de ce système unique à base de fibres”, explique Alexandra Popp, l’une des deux principales auteurs de l’article. L’autre auteur principal, Andreas Geilen, ajoute : “Les mesures ont révélé des effets surprenants. L’observation du régime de pression négative devient tout à fait claire lorsqu’on regarde la fréquence des ondes sonores.”

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 microréacteurs autrement difficiles à étudier. Il peut pénétrer de nouveaux domaines de la thermodynamique difficiles d’accès. “Cette nouvelle plate-forme de fibres à noyau liquide entièrement scellées donne accès à des pressions élevées et à d’autres régimes thermodynamiques”, déclare le professeur Markus Schmidt de l’IPHT à Jena, et le Dr Mario Chemnitz, également de l’IPHT à Jena, souligne : “C’est d’une grande importance intérêt d’étudier et même d’adapter d’autres phénomènes optiques non linéaires dans ce type de fibre. Ces phénomènes peuvent révéler des propriétés jusqu’alors inexplorées et potentiellement nouvelles dans l’état thermodynamique unique des matériaux. Birgit Stiller conclut : “La collaboration entre nos groupes de recherche d’Erlangen et d’Iéna, avec leurs expertises respectives, est unique dans la mesure où elle permet d’acquérir de nouvelles connaissances sur les processus et régimes thermodynamiques sur une plate-forme optique minuscule et facile à manipuler.”