Les secrets de l'aérogel révélés grâce au laser

On l'appelle parfois le « brouillard de San Francisco », la « fumé gelée » ou encore l'aérogel. Ce matériau magique est une sorte de mousse solide très poreuse avec un réseau de cavités de tailles nanométriques. Les chercheurs des laboratoires Lawrence Livermore et Lawrence Berkeley viennent d'en fournir pour la première fois au monde une image en 3D.

L'aérogel est devenu célèbre dans le grand public essentiellement à l'occasion de la mission Stardust où un bloc de celui-ci a été utilisé pour capturer et ramener sur Terre des poussières de la comète Wild 2. Ce matériau, composé à 99,8 % d'AirMélange de gaz contenant 78% d\'azote, 21% d\'oxygène, environ 1% d\'argon et des traces de néon, de krypton, de xénon et d\'hélium.');" onmouseout="killlink()">air et d'une densité de 3 mg/cm³ , n'est pourtant pas un nouveau venu car il a été crée en 1931 par l'ingénieur chimiste Steven Kistler.

Capable de supporter plus de 2000 fois son poids, c'est en fait le solide le plus léger du monde et un IsolantSe dit d\'un matériau, d\'un corps non conducteur de l\'électricité (cf. diélectrique), de la chaleur.');" onmouseout="killlink()">isolant remarquable car il stoppe presque complètement les transferts thermiques, en particulier quand il s'agit d'un aérogel de silice. On sait en effet en fabriquer avec différentes compositions chimiques, à base d'oxyde d'étain, de chrome et même à partir du CarboneElément chimique non-métallique (symbole C), de numéro atomique 6, de masse atomique 12,01, appartenant au groupe 14 de la classification de Mendeleev, de valence 4.
Le corps simple, de point d\'ébullition 3550°C, de point de fusion 4827°C, existe à l\'état solide sous trois formes cristallines :...');" onmouseout="killlink()">carbone et de l'alumine.

Considéré comme le meilleur isolant électrique, sonique et bien sûr thermique du monde, la clé expliquant ses propriétés se trouve au niveau de son réseau fractal interne (voir notre dossier concernant les fractales) de cavités interconnectées. Cette structure poreuse, avec des pores de tailles comprises entre 2 et 50 NanomètreUn nanomètre = un milliardième de mètre = 10-9 m.');" onmouseout="killlink()">nanomètres environ, est en fait assez commune dans la nature puisqu'on la retrouve dans les cellules, les os, les PolymèreMolécule de masse moléculaire élevée constituée de monomères unis les uns aux autres par des liaisons covalentes, tels l\'amidon et les protéines.
Substance généralement organique ou semi-organique caractérisée par la répétition d\'un ou plusieurs types de motifs monomères.
Les matériaux...');" onmouseout="killlink()">polymères, les phospholipides et aussi en géologie, dans le cas des transferts, d'eau et de pétrole dans les roches.

Pour mieux comprendre les propriétés de tels matériaux et en faire un usage plus efficace dans l'industrie, par exemple pour dessaler l'eau de mer et dépolluer l'eau dans l'industrie, une étude fine de ce réseau fractal en 3D serait précieuse mais, jusqu'à présent, seules des données en 2D obtenues par microscopie électronique étaient disponibles. Les chercheurs des laboratoires Lawrence Livermore et Lawrence Berkeley viennent d'utiliser un LaserDispositif qui amplifie la lumière et la rassemble en un étroit faisceau, dit cohérent, où ondes et photons associés se propagent en phase, au lieu d\'être arbitrairement distribués. Cette propriété rend la lumière laser extrêmement directionnelle et d\'une grande pureté spectrale.
Appareil...');" onmouseout="killlink()">laser à Rayons XOndes électromagnètiques, à très petite longueur d\'onde variant de fractions de nanomètre à quelques nanomètres.
Dans l\'espace, on a individualisé de très nombreuses sources de rayons X. Les sources principales de rayons X sont les supernovae, les pulsars et les quasars.');" onmouseout="killlink()">rayons X pour s'affranchir de cette limitation.

Ils ont pour cela utilisé les figures de DiffractionPhénomène par lequel les rayons lumineux issus d\'une source ponctuelle sont déviés de leur trajectoire rectiligne lorsqu\'ils rasent les bords d\'un obstacle opaque. Phénomène d\'optique affectant l\'observation d\'une image à travers un instrument et dû au caractère ondulatoire de la lumière.');" onmouseout="killlink()">diffraction produites en projetant un tel rayon laser sur un aérogel particulier, l'oxyde de tantale (Ta₂O₅), sous plusieurs angles. Plus de 150 orientations différentes ont été nécessaires et les figures de diffraction ont été enregistrées avec des capteurs CCD. Les images ont ensuite subi un impressionnant traitement par ordinateur qui a nécessité d'importantes quantités de calculs.

Les images de cette céramique particulière, qui est utilisée pour stocker des IsotopeChacun des différents types d\'atomes d\'un même élément, différant par leur nombre de neutrons mais ayant le même nombre de protons et d\'électrons, et possédant donc les mêmes propriétés chimiques.
Exemple : l\'uranium 235 et l\'uranium 238 dont le premier a 143 neutrons et le deuxième, 146 neutrons.');" onmouseout="killlink()">isotopes d'hydrogène dans le cadre d'expériences sur la fusion contrôlée par confinement inertiel, ont révélé une structure complexe permettant de départager différentes théories expliquant la formation des aérogels, comme la théorie de la percolation.

Les informations fournies par ce genre de technique ne devraient pas être limitées qu'aux aérogel et les chercheurs pensent en particulier aux polymères poreux étudiés pour stocker de l'hydrogène.