Athena n°343 sep/oct/nov 2019
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HENRI DUPUIS PHYSIQUE Les premiers aimants… liquides S’il y a des objets qui sont associés à des solides, ce sont bien les aimants. Plaqués sur la porte de votre frigo, disposés à l’intérieur des scanners ou destinés à accélérer des particules… ils sont partout. Mais toujours sous la forme solide. Des aimants liquides viennent cependant d’être produits pour la première fois TEXTE  : HENRI DUPUIS DUPUIS.H@BELGACOM.NET Athena Mag 343 42 Même s’il est un phénomène quantique, le magnétisme est bien connu de tout un chacun à cause des effets qu’il produit. Bien rares sans doute sont les enfants qui n’ont jamais joué avec des aimants, s’amusant à attirer des pièces de fer ou faisant se repousser 2 d’entre eux. Et cela depuis la nuit des temps. Le phénomène est cependant resté mystérieux pendant des siècles. Certes, au 18 e siècle, Coulombmontre que les forces qui s’exercent entre 2 charges magnétiques sont inversement proportionnelles au carré de la distance qui les sépare. Mais cela n’explique en rien le phénomène. C’est bien plus tard qu’on découvre que tout se joue au niveau des atomes, dont chaque électron possède un petit moment magnétique à cause de son spin (rotation). Les électrons de moments magnétiques opposés ont évidemment tendance à se regrouper. Ce qui produit un moment nul au niveau microscopique. C’est la raison pour laquelle la plupart des matériaux ne sont pas des aimants. Mais il peut arriver que des électrons soient sans partenaire, isolés. Dans ce cas, les moments s’additionnent et il y a une aimantation au niveau macroscopique. Que cela se produise durablement est rare  : seuls les métaux dits de transition (fer, nickel…) et des terres rares ont cette propriété. C’est un phénomène appelé ferro magnétisme ; ces matériaux ont la propriété d’avoir une aimantation forte - et le plus souvent permanente - même en l’absence de champ magnétique extérieur. Le plus souvent en effet, un corps devient magnétique lorsqu’on Septembre-Octobre 2019
lui applique un champ électromagnétique. Mais dans un cas comme dans l’autre, c’est du solide… au sens premier de l’expression. Impression 3D Des chercheurs du Département de l’énergie du Lawrence Berkeley National Laboratory ont publié en juillet dernier dans la revue Science (1) le résultat d’une expérience qui vient bouleverser ce qu’on croyait acquis  : il pourra exister des aimants liquides. Autrement dit, il existera dorénavant une matière molle magnétique. Les chercheurs sont partis d’un ferrofluide, c’est-à-dire un liquide qui contient en suspension des particules d’oxyde de fer qui deviennent magnétiques lorsqu’elles sont soumises à un champ magnétique, avec l’idée de trouver ce qu’il faut faire pour le rendre magnétique de manière permanente. Pour cela, ils ont imprimé en 3D des gouttelettes d’1 mm de diamètre au sein du ferrofluide, gouttelettes contenant des nanoparticules d’oxyde de fer de 20 nanomètres de diamètre (la taille d’une protéine). Ces particules ne sont donc plus libres au sein du fluide (comme dans le cas de ferrofluide non permanent) mais encapsulées dans des gouttelettes. Résultat, les chercheurs ont observé que des nanoparticules se regroupent pour former une sorte de coque solide à la surface entre les gouttelettes et le liquide dans lequel elles baignent. Les gouttelettes ont ensuite été soumises à un champ magnétique, ce qui les a rendues magnétiques elles-mêmes (elles ont entamé une sorte de chorégraphie, selon les chercheurs, s’attirant et se repoussant, comme le font des aimants selon leur polarité). Mais le plus incroyable est que cette propriété a perduré même en l’absence de champ  : les gouttelettes, donc le liquide, étaient devenues magnétiques. Selon les chercheurs, lorsque le champ magnétique est coupé, les nanoparticules qui ont été se coller à la surface des gouttelettes ne sont plus libres de leur orientation (elles se figent) et transmettent cette orientation aux autres particules qui sont restées au centre de la gouttelette. Celle-ci est donc aimantée entièrement ; les nanoparticules sont toutes orientées dans le même sens d’où l’apparition d’un moment magnétique macroscopique non nul. Selon les chercheurs, leur découverte pourrait mener à des applications allant de la confection de cellules artificielles pouvant servir de traitements ciblés à celle de robots liquides adaptant leur forme à leur environnement. Athena Mag 343 43 Ferrofluide soumis au magnétisme d’un aimant. PIÉGER LA LUMIÈRE PLUS LONGTEMPS (1) Reconfigurable ferromagnetic liquid droplets, Xubo Liu et al. Science, 19 jul 2019. (2) Large Q Factor with Very Small Whispering - Gallery-Mode Resonators, Nirmalendu Acharyya and Gregory Kozyreff, Physical review applied, 30 jul 2019. Les résonateurs sont des cavités dans lesquelles une onde - sonore ou lumineuse par exemple - entre en résonance. Ainsi, dans le domaine de l’optique, des rayons restent confinés en se réfléchissant de nombreuses fois sur les miroirs de la cavité. C’est le principe utilisé dans les lasers pour amplifier une source de lumière cohérente. En matière sonore, on connaît des phénomènes spectaculaires des « galeries à chuchotements », comme à la Cathédrale Saint-Paul à Londres ou au Temple du Ciel à Pékin  : on chuchote une phrase le long du mur circulaire de ces édifices et la phrase est entendue par quelqu’un qui colle son oreille au mur à l’opposé de l’émetteur par exemple. Le son rebondit sur le mur en des endroits précis et son intensité décroît comme l’inverse de la distance et non comme l’inverse du carré, d’où le fait qu’il reste audible sur une distance plus importante qu’en l’absence du phénomène. Ce phénomène de chuchotement (whispering) existe aussi en matière lumineuse dans des résonateurs dits Whispering-gallery-mode (WGM). Ils doivent allier 2 qualités  : un petit volume et un facteur de qualité Q élevé (c’est un paramètre qui décrit le degré d’atténuation du résonateur). Or, ce facteur est limité par les pertes en flexion, c’est-àdire les pertes d’énergie du rayon lumineux lors de chaque changement de direction. Et plus le volume diminue, plus ces pertes augmentent de manière exponentielle (en fait, elles augmentent avec la courbure). Un vrai obstacle à la miniaturisation. Qui n’en est plus un aujourd’hui grâce à 2 chercheurs de l’ULB (2). Ceux-ci ont en effet mis au point une procédure pour réduire les pertes de flexion. Grâce à des simulations numériques, ils ont montré que si l’on entoure la cavité par des coques diélectriques concentriques, on peut réduire presque totalement les pertes par rayonnement. En effet, plus il y a de coques externes, plus la réduction des pertes en flexion que l’on peut obtenir est forte, sans limite apparente. Une avancée importante quand on sait que ce type de résonateur est particulièrement intéressant par exemple en tant que biocapteur car ils peuvent détecter des protéines ou des virus. Septembre-Octobre 2019 HENRI DUPUIS PHYSIQUE



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