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11/01/2009, 15h15
L'effet Casimir répulsif : une aubaine pour les nanotechnologies
Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Célèbre chez les physiciens, l’effet Casimir, dû aux mystérieuses fluctuations du vide quantique, se manifeste par une force d’attraction entre deux plaques métalliques très proches. Un groupe de physiciens vient d’observer ce même effet, mais inversé. Il devient ainsi répulsif pour la première fois. C'est l’effet Casimir–Lifshitz, qui pourrait un jour servir de lubrifiant en nanotechnologies...

L’énergie du vide quantique fait rêver (c’est elle qui alimente les générateurs ZPM des Anciens dans la série Stargate Atlantis). De fait, la constante cosmologique est probablement un effet de cette énergie mais il n’y a pour le moment aucune indication que la technologie des Anciens de Stargate puisse un jour devenir une réalité...

Cependant, les effets de l’énergie du vide sont bien visibles en laboratoire depuis des décennies. C'est le célèbre effet Casimir, découvert théoriquement par un chercheur hollandais du nom de Hendrik Casimir en 1948. On l’explique souvent de la façon suivante.

Lorsque deux plaques métalliques sont rapprochées étroitement dans le vide, elles modifient les fluctuations d’énergie du champ électromagnétique qui se produisent partout dans l’espace. Ce faisant, une densité d’énergie moyenne différente apparaît entre les plaques, plus faible qu’à l’extérieur. Il en résulte une force de pression tendant à rapprocher les plaques.

L’effet Casimir apparaît lorsque l’espace est vide entre les deux plaques. Mais que se produit-il lorsqu’il est occupé par un milieu matériel possédant une constante diélectrique différente de celle du vide ?


Un effet répulsif avec un bon choix de matériaux

Une réponse théorique a été apportée il y a longtemps déjà, en 1956, par Evgeny Mikhailovich Lifshitz, l’auteur avec Lev Landau du fameux cours de physique théorique. D’attractive, la force peut devenir répulsive... Mais jusqu’à présent, personne n’avait vérifié cette prédiction du grand théoricien russe à qui l’on doit d’importants travaux en relativité générale, dans le domaine de la cosmologie primordiale (perturbations en cosmologie, approche de la singularité initiale).

Aujourd’hui Federico Capasso et ses collègues de l’université d’Harvard publient dans Nature les résultats d’expériences portant sur l’effet Casimir–Lifshitz, dont le principe est simple.

On commence par recouvrir d’or, sur une épaisseur de 200 nm, une petite sphère en polystyrène de 40 micromètres de diamètre. On la fixe à l’extrémité du bras d’un microscope à force atomique puis elle est plongée dans un liquide, ici du bromobenzène, recouvrant lui-même une plaque de silice. Un faisceau laser est alors focalisé sur la sphère. Le moindre de ses mouvements se manifestera par des changements de la lumière laser réfléchie, un signal facile à analyser et permettant des mesures précises (schéma a de la figure).

D’après la théorie, du fait de l’existence d’une constante diélectrique différente entre d’un côté le liquide et de l’autre deux plaques métalliques, l’analogue de l’effet Casimir doit se produire. Si le liquide possède une constante diélectrique plus faible que l’une des plaques, mais plus forte que l’autre, il sera attiré différemment par les plaques et le bilan final des forces sera une répulsion entre les plaques.

Ici, le rôle des deux plaques est tenu par celle en silice et par le revêtement en or de la sphère de polystyrène. Les chercheurs ont fait varier la distance, de 20 nm à quelques centaines de nm, entre la sphère et une plaque de silice (schéma c) puis d’or (schéma b). Dans le premier cas, la force était répulsive (sphère et plaque ont des constantes diélectriques différentes) alors qu'elle était attractive avec la plaque d'or. L’effet Casimir–Lifshitz est donc bel et bien réel...

La nouvelle est d'importance dans le domaine des nanotechnologies. L'effet Casimir attractif, en effet, entraîne une difficulté supplémentaire pour réaliser des dispositifs de tailles très faibles, dont les éléments ont parfois tendance à s'agglutiner. Dans les MEMS par exemple (Micro Electro Mechanical Systems), systèmes mécaniques, les rouages se grippent facilement et on cherche encore le lubrifiant idéal. Un effet Casimir–Lifshitz répulsif pourrait jouer ce rôle, en exerçant une force importante dès que deux surfaces s'approcheraient trop.

Zakia
11/01/2009, 15h36
Voyons voir si pour une fois j'ai à peu près compris :


Ici, le rôle des deux plaques est tenu par celle en silice et par le revêtement en or de la sphère de polystyrène. Les chercheurs ont fait varier la distance, de 20 nm à quelques centaines de nm, entre la sphère et une plaque de silice (schéma c) puis d’or (schéma b). Dans le premier cas, la force était répulsive (sphère et plaque ont des constantes diélectriques différentes) alors qu'elle était attractive avec la plaque d'or. L’effet Casimir–Lifshitz est donc bel et bien réel...



Au plus les plaques seront proches,au plus l'effet sera répulsif et au plus les plaques seront éloignées, au plus elles auront tendance à se rapprocher?

darwish
11/01/2009, 17h13
Au plus les plaques seront proches,au plus l'effet sera répulsif et au plus les plaques seront éloignées, au plus elles auront tendance à se rapprocher?

Pas les deux à la fois Zakia, mais il ne serait pas exclu d'introduire un liquide (encore à trouver) ou un mélange de liquides entre les deux plaques pour moduler la force de Casimir, qui dans ce cas deviendra répulsive à courtes distances et attractive aux longues séparations, à l'image des forces de van Der Waals, ou bien d'un simple potentiel du type Lennard-Jones (illustration ci-dessous).

http://www.sv.vt.edu/classes/MSE2094_NoteBook/MolecDyn/lj.gif

L'effet Casimir serait aussi à l'origine des flucuations de densité responsable des trasitions de phase dans les liquides binaires.

Zakia
11/01/2009, 17h50
Merci Darwish :)

Maintenant que sont :

les forces de Van Der Waals (j'aime bien ça fleure bon son petit belge :mrgreen: )

Le potentiel Lennard-Jones

darwish
11/01/2009, 18h55
Deux particules neutres, des atomes par ex., interagissent entre elles à longue distance par une force attractive qui décroît avec la puissance 6 de la distance de séparation (1/r^6). La force de gravitation de Newton, par ex., elle décroît avec la puissance 2 de la distance de séparation (1/r^2). Notons aussi que la force de van der Waals est proportionelle à la polarisabilité des deux particules mises en jeu.

Maintenant ces deux particules neutres à l'origine, mais en réalité présentant chacune une polarisabilité à cause de la déformation du nuage électronique de chacune d'elles, ne peuvent pas s'approcher indéfiniment l'une de l'autre à cause de cette force de van der Waals. Quand elles sont si proches l'une de l'autre, leurs nuages électroniques respectifs ne peuvent pas s'interpénétrer à cause d'un principe de mécanique quantique dit Principe (d'exclusion) de Pauli. Ce dernier interdit à deux électrons et plus de se trouver dans le même état quantique. Du coup, pour séparer les deux particules en interaction, il faut une force répulsive à courte portée pour équilibrer celle de van der Waals. Celle-ci décroît à comme la puissance 12 de la distance de séparation (1/r^12). A la fin, nous obtenons, une force (ou potentiel) d'interaction ayant une composante répulsive à courte portée et une autre attractive à longue portée. On appelle se type de force, force (ou potentiel) de Lennard-Jones.

Si tu regardes le schéma de mon précédent poste, la partie du potentiel qui se trouve au dessus de l'axe des x (distances) est la partie répulsive (1/r^12), le reste c'est la partie attractive (1/r^6).

N.B. On parle de force ou de potentiel d'interaction c'est kif-kif. En fait, les forces dont on parle dérivent de ces potentiels (systèmes conservatifs).

Zakia
11/01/2009, 19h43
Merci beaucoup Si Darwish :razz:

Je vais donc potasser tout ça àl'aise et bien assimiler le tout et revenir avec des questions :mrgreen:

darwish
11/01/2009, 19h55
Pas de quoi Zakia, j'attends tes questions. Tu veux un chai masala?

Zakia
11/01/2009, 20h00
Ouiiiiiiiiiii :razz:

Il faut au moins ça. Je suis une touuuuuuuuute pitit têt : physique y'an a pas bien rentrer dedans :redface:

Moi j'aime bien regarder les étoiles et rêver :)

darwish
11/01/2009, 20h07
Wonder is the first of all passions.
R. Descartes

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