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Le Tableau Périodique des Eléments est une des bases de la chimie. Cependant, on sait que le comportement des éléments - et leurs propriétés chimiques – peuvent changer de manière significative lorsqu'ils sont soumis à de fortes pressions.
Le platine et le xénon, normalement inertes, deviennent fortement réactifs, le potassium devient un métal de transition, tandis que l'hydrogene, l'oxygène et le soufre deviennent des supraconducteurs. Le domaine des pressions élevées est une voie pour élaborer de nouveaux materiaux aux structures et aux propriétés exotiques, et ceux-ci permettent d'élargir nos connaissances sur les liaisons chimiques entre les atome. Cependant, les expériences à haute pression sont très complexes et souvent ne permettent pas la détermination des structures.
Récemment, Artem R. Oganov et Colin W. Glass du Laboratoire de cristallographie de l'ETH de Zurich ont développé une nouvelle méthodologie de simulation basée sur les lois de la mecanique quantique. Cette méthode permet de prévoir la structure d'un materiau sous toutes conditions de pression et de temperature uniquement d'après sa formule chimique. Leur étude, présentée dans le Journal of Chemical Physics permet la résolution de plusieurs débats qui ont cours depuis quelques décennies et propose une classe de matériaux à base de carbone potentiellement utiles technologiquement.
L'Hydrogène: le comportement complexe de l'élément le plus simple
L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers. Dans le Tableau Périodique sa position est ambiguë: il peut être classé avec les métaux alcalins ou avec les halogènes non métalliques. On fait d'ailleurs appel à la métallisation de l'hydrogène sous pression pour expliquer les champs magnétiques des planètes géantes Jupiter et Saturne.
On suppose que l'hydrogène métallique est un supraconducteur à des températures élevées (peut-être 300°C). Cependant, la structure de l'hydrogène à très haute pression est inconnue. On pense généralement qu'il doit se transformer en métal moléculaire à environ 3,5 Mbar, puis en métal non moléculaire autour de 5 Mbar. Cependant, Oganov et Glass prédisent désormais que l'état moléculaire subsiste jusqu'au moins 6 Mbar. En comparaison, la molécule beaucoup plus lourde d'azote est détruite à des pressions beaucoup plus basses (vers 0,5 Mbar). Cela situe donc l'hydrogène beaucoup plus près des halogènes que des métaux alcalins.
Les structures de l'oxygène rouge et de l'oxygène noir clarifiées
L'oxygène sous pression change de façon spectaculaire d'état physique: de la substance magnétique bleu clair il vire au rouge foncé et devient non magnétique ; puis, à des pressions encore plus élevées, il se transforme en un matériau noir supraconducteur. En utilisant leur simulation, les chercheurs de l'ETH ont pu expliquer les structures de l'oxygène rouge et celle de l'oxygène noir.
L'oxygène conserve ses molécules O2, mais de faibles liaisons se développent également entre les molécules, ce qui produit des chaînes exotiques de molécules et d'autres agrégats moléculaires (par exemple des paires de molécules). Ces interactions intermoléculaires croissantes sous pression sont les causes des changements de couleur et de conductivité éléctrique.
Vers de nouveaux matériaux
Le carbone est bien connu pour la variété de liaisons chimiques qu'il peut admettre. Cette flexibilité chimique le rend très approprié dans son rôle d'élément essentiel à la vie. Les différentes structures de carbone comme le graphite, le diamant, ou les fullerènes par exemple, possèdent des propriétés remarquablement différentes. En utilisant leur technique de simulation, les chercheurs ont d'ores et déjà prévu plusieurs formes nouvelles de carbone sous pression atmospherique.
Deux de ces dernières sont particulièrement intéressantes du fait qu'elles contiennent des éléments de structure à la fois du graphite et du diamant et on peut espérer qu'elles possèdent des propriétés électriques et de dureté uniques. Comme des fullerènes, ces formes exigeraient des conditions spéciales pour en faire la synthèse, mais une fois élaborées, elles pourraient devenir des matériaux technologiquement fondamentaux.
Source: ETH Zurich
Le platine et le xénon, normalement inertes, deviennent fortement réactifs, le potassium devient un métal de transition, tandis que l'hydrogene, l'oxygène et le soufre deviennent des supraconducteurs. Le domaine des pressions élevées est une voie pour élaborer de nouveaux materiaux aux structures et aux propriétés exotiques, et ceux-ci permettent d'élargir nos connaissances sur les liaisons chimiques entre les atome. Cependant, les expériences à haute pression sont très complexes et souvent ne permettent pas la détermination des structures.
Récemment, Artem R. Oganov et Colin W. Glass du Laboratoire de cristallographie de l'ETH de Zurich ont développé une nouvelle méthodologie de simulation basée sur les lois de la mecanique quantique. Cette méthode permet de prévoir la structure d'un materiau sous toutes conditions de pression et de temperature uniquement d'après sa formule chimique. Leur étude, présentée dans le Journal of Chemical Physics permet la résolution de plusieurs débats qui ont cours depuis quelques décennies et propose une classe de matériaux à base de carbone potentiellement utiles technologiquement.
L'Hydrogène: le comportement complexe de l'élément le plus simple
L'hydrogène est l'élément le plus abondant dans l'univers. Dans le Tableau Périodique sa position est ambiguë: il peut être classé avec les métaux alcalins ou avec les halogènes non métalliques. On fait d'ailleurs appel à la métallisation de l'hydrogène sous pression pour expliquer les champs magnétiques des planètes géantes Jupiter et Saturne.
On suppose que l'hydrogène métallique est un supraconducteur à des températures élevées (peut-être 300°C). Cependant, la structure de l'hydrogène à très haute pression est inconnue. On pense généralement qu'il doit se transformer en métal moléculaire à environ 3,5 Mbar, puis en métal non moléculaire autour de 5 Mbar. Cependant, Oganov et Glass prédisent désormais que l'état moléculaire subsiste jusqu'au moins 6 Mbar. En comparaison, la molécule beaucoup plus lourde d'azote est détruite à des pressions beaucoup plus basses (vers 0,5 Mbar). Cela situe donc l'hydrogène beaucoup plus près des halogènes que des métaux alcalins.
Les structures de l'oxygène rouge et de l'oxygène noir clarifiées
L'oxygène sous pression change de façon spectaculaire d'état physique: de la substance magnétique bleu clair il vire au rouge foncé et devient non magnétique ; puis, à des pressions encore plus élevées, il se transforme en un matériau noir supraconducteur. En utilisant leur simulation, les chercheurs de l'ETH ont pu expliquer les structures de l'oxygène rouge et celle de l'oxygène noir.
L'oxygène conserve ses molécules O2, mais de faibles liaisons se développent également entre les molécules, ce qui produit des chaînes exotiques de molécules et d'autres agrégats moléculaires (par exemple des paires de molécules). Ces interactions intermoléculaires croissantes sous pression sont les causes des changements de couleur et de conductivité éléctrique.
Vers de nouveaux matériaux
Le carbone est bien connu pour la variété de liaisons chimiques qu'il peut admettre. Cette flexibilité chimique le rend très approprié dans son rôle d'élément essentiel à la vie. Les différentes structures de carbone comme le graphite, le diamant, ou les fullerènes par exemple, possèdent des propriétés remarquablement différentes. En utilisant leur technique de simulation, les chercheurs ont d'ores et déjà prévu plusieurs formes nouvelles de carbone sous pression atmospherique.
Deux de ces dernières sont particulièrement intéressantes du fait qu'elles contiennent des éléments de structure à la fois du graphite et du diamant et on peut espérer qu'elles possèdent des propriétés électriques et de dureté uniques. Comme des fullerènes, ces formes exigeraient des conditions spéciales pour en faire la synthèse, mais une fois élaborées, elles pourraient devenir des matériaux technologiquement fondamentaux.
Source: ETH Zurich