Peut-on geler en chauffant ?

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. 

Le matériau auquel ils se sont intéressés présente deux états magnétiques stables en fonction de sa température. A basse température, les électrons s’assemblent par paires et l’état magnétique est dit ordonné. Le réchauffement à température ambiante mène à un état magnétique désordonné où les électrons ne sont plus appariés.  Le chauffage favorise donc un désordre électronique (ou entropie magnétique) qui entre en compétition avec l’entropie liée à la position des atomes. L’étude montre que l’entropie totale du système augmente bien avec la température, comme l’imposent les lois de la thermodynamique, et que c’est l’entropie magnétique qui domine, permettant aux atomes de conserver à haute température la position « gelée » qu’ils adoptent à basse température.

Le fait de pouvoir figer des positions atomiques à température ambiante est à l’origine de propriétés physiques remarquables. Dans un tel état ordonné, une charge électrique peut par exemple naître d’une simple pression, propriété qui pourrait être utilisée pour le fonctionnement à température ambiante de sondes pour l’échographie.

Ces résultats, publiés dans Materials Horizons, montrent que combiner ordre électronique et ordre atomique ouvre la voie au développement de nouveaux matériaux pour des dispositifs tels que des capteurs, mémoires, transducteurs ou actionneurs fonctionnant à température ambiante.

Rédacteur : CCdM