Des scientifiques ont développé une méthode innovante pour étudier la métamorphose des liquides sous pression négative en les encapsulant dans des fibres optiques. La technologie offre un moyen plus simple de mesurer la pression à l’aide d’ondes lumineuses et sonores, ouvrant la voie à de nouvelles découvertes en thermodynamique et en réactions chimiques. En tant que grandeur physique, la pression existe dans divers domaines : la pression atmosphérique en météorologie, la pression artérielle en médecine, et même les autocuiseurs et les aliments sous vide dans la vie quotidienne.


Impression artistique d'un capillaire en verre rempli de liquide. En encapsulant des liquides dans des fibres optiques, les scientifiques ont observé et mesuré l’effet de pression négative en utilisant les ondes sonores comme capteurs. Source de l'image : ©LongHuyDao

La pression est définie comme la force par unité de surface normale à la surface d'un solide, d'un liquide ou d'un gaz. En fonction de la direction de la force dans un système fermé, dans des cas extrêmes, des pressions extrêmement élevées peuvent conduire à des réactions explosives, tandis que des pressions extrêmement basses dans un système fermé peuvent provoquer l'implosion du système lui-même.

La surpression fait toujours référence à un gaz ou à un liquide qui comprime les parois d'un récipient de l'intérieur, comme un ballon qui se dilate lorsqu'on ajoute plus d'air. Quelle que soit la haute ou la basse pression, dans des circonstances normales, la valeur numérique de la pression est toujours positive.

Cependant, les liquides ont une propriété particulière. Ils peuvent exister dans un état variable spécifique correspondant à la valeur de pression négative. Dans cet état variable, même de petites influences externes peuvent provoquer l’effondrement du système dans un état ou un autre. Pensez-y comme si vous étiez assis au sommet d'une montagne russe : un léger contact d'un côté ou de l'autre vous fait chuter hors de la piste.

Dans la présente étude, les scientifiques étudient la métamorphose des liquides sous pression négative. À cette fin, l’équipe de recherche a combiné deux techniques uniques pour mesurer divers états thermodynamiques dans une étude publiée dans Nature Physics.

Premièrement, de minuscules quantités (nanolitres) de liquide sont encapsulées dans une fibre optique entièrement fermée, ce qui lui permet d'avoir à la fois des pressions positives et négatives élevées. Par la suite, grâce à l’interaction particulière des ondes lumineuses et sonores dans le liquide, les effets de la pression et de la température dans différents états du liquide peuvent être mesurés avec sensibilité. Les ondes sonores agissent comme des capteurs qui détectent les valeurs de pression négative, explorant cet état unique de la matière avec une haute précision et une résolution spatiale détaillée.

(De gauche à droite) Birgit Stiller, chef d'équipe de recherche, avec Andreas Geilen et Alexandra Popp dans le laboratoire. Source de l'image : ©FlorianRitter,MPL

Effets de la pression négative et des techniques de mesure

L'effet de la pression négative sur le liquide peut être imaginé comme suit : selon les lois de la thermodynamique, le volume du liquide va diminuer, mais le liquide sera affecté par la force d'adhésion dans le capillaire en fibre de verre, tout comme des gouttelettes d'eau collant à vos doigts. Cela provoque un « étirement » du liquide. Le fluide est séparé, comme un élastique qu’on tend.

La mesure de cet état exotique nécessite souvent un équipement sophistiqué et des précautions de sécurité accrues. La haute pression est un travail dangereux, surtout avec des liquides toxiques. Le disulfure de carbone utilisé par les chercheurs dans cette étude est l’un de ces liquides. En raison de cette complexité, les appareils de mesure précédents utilisés pour générer et déterminer la pression négative nécessitaient une grande quantité d'espace de laboratoire et provoquaient même des perturbations des systèmes en régime permanent.

En utilisant la méthode décrite dans cet article, les chercheurs ont développé un petit appareil simple capable d’effectuer des mesures de pression très précises à l’aide d’ondes lumineuses et sonores. La fibre optique utilisée à cet effet est aussi épaisse qu’un cheveu humain.

Commentaires des chercheurs

"Lorsque de nouvelles méthodes de mesure sont combinées avec de nouvelles plates-formes, certains phénomènes difficiles à explorer avec des méthodes courantes et établies deviennent étonnamment accessibles. Je trouve cela très excitant", a déclaré le Dr Birgit Stiller, responsable du groupe de recherche en photoacoustique quantique au MPL. L’équipe de recherche a utilisé des ondes sonores qui peuvent être très sensibles pour détecter les changements de température, de pression et de contrainte le long de la fibre optique. De plus, des mesures résolues spatialement peuvent être effectuées, ce qui signifie que les ondes sonores peuvent fournir une image de ce qui se passe à l'intérieur de la fibre avec une résolution centimétrique sur toute sa longueur.

"Notre méthode nous permet de mieux comprendre les dépendances thermodynamiques de ce système de fibre optique unique", a déclaré Alexandra Popp, l'un des deux principaux auteurs de l'article.

Un autre auteur principal, Andreas Geilen, a ajouté : "Les mesures ont révélé des effets surprenants. Les observations de l'état de pression négative deviennent très claires lorsqu'on regarde la fréquence des ondes sonores."

Applications potentielles et remarques finales

La combinaison de mesures photoacoustiques avec des fibres capillaires étroitement scellées pourrait conduire à de nouvelles découvertes dans la surveillance de matériaux autrement difficiles à étudier et de réactions chimiques de liquides toxiques dans des microréacteurs. Il peut pénétrer dans des domaines nouveaux et inaccessibles de la thermodynamique.

Le professeur Markus Schmidt de l'IPHT Jena et le Dr Mario Chemnitz, également de l'IPHT Jena, soulignent : « Cette nouvelle plate-forme de fibres à noyau liquide entièrement scellées permet d'accéder à des pressions élevées et à d'autres environnements thermodynamiques. Il est très significatif d'étudier ou même de personnaliser davantage les phénomènes optiques non linéaires dans cette fibre.

Ces phénomènes peuvent révéler de nouvelles propriétés potentielles jusqu’alors inexplorées dans l’état thermodynamique unique du matériau.

Birgit Stiller conclut : « Nos groupes de recherche d'Erlangen et d'Iéna collaborent de manière unique sur leur expertise respective pour obtenir de nouvelles informations sur les processus et les états thermodynamiques sur une plate-forme optique minuscule et facile à utiliser. »