Peut-on geler en chauffant ?
L'augmentation de la température entraîne un accroissement du désordre lié à au mouvement des atomes ou des molécules dans une substance, comme l'illustre la transformation de la glace en eau. Des chimistes montrent que dans certains matériaux, les atomes peuvent se figer à des températures élevées, défiant les principes de la thermodynamique. Cette découverte ouvre la voie à de nouvelles applications pour des matériaux capables de conserver, à température ambiante, des propriétés spécifiques comme la ferroélectricité ou l'aimantation.
La température d’un matériau est liée à l’agitation des électrons, des atomes et des molécules qui le constituent. Cette agitation thermique crée un désordre qui se caractérise par une grandeur appelée entropie. Elle induit des mouvements désordonnés dans la substance. Les lois de la thermodynamique stipulent que plus la température augmente, plus le désordre et donc l’entropie augmentent. Ainsi, le désordre des molécules d’eau augmente lors de la transformation de la glace en eau liquide.
De manière générale, à température ambiante, l’agitation thermique des atomes ou des molécules est élevée engendrant des déplacements rapides et des mouvements importants. Dans certains matériaux solides, les atomes peuvent ainsi bouger suivant des directions opposées (vibrations), équivalentes par symétrie, puis « se geler » dans une position fixe lorsqu’on les refroidit. Dans cet état ordonné à basse température où l’entropie est minimale, de nouvelles propriétés physiques ou fonctions peuvent alors apparaître. C’est le cas de la ferroélectricité ou de l’aimantation, par exemple. De nombreux matériaux présentent ainsi des propriétés spécifiques liées à l’existence de cet état ordonné, que l’on ne peut donc observer qu’à basse température, ce qui limite considérablement les applications envisageables pour ces matériaux.
Des scientifiques de l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes), de l’Institut des sciences chimiques de Rennes (CNRS/Université de Rennes/ENSCR) et de l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux) viennent de montrer que dans certains matériaux particuliers, les atomes peuvent se figer lorsqu’on augmente la température ! Une observation apparemment contraire aux lois de la thermodynamique qui imposent une augmentation du désordre avec la température, mais que les scientifiques sont parvenus à expliquer.