Dans cette série, on va essayer de passer en revue les différents outils qui nous permettent de comprendre ce qui se passe dans les profondeurs des planètes.

 

La première fois qu’on m’a parlé d’expériences hautes pressions, j’ai imaginé des gros pistons, des grosses machines, qui appuient sur des morceaux de cailloux, jusqu’à atteindre des pressions inimaginables. Une grosse enclume, en gros, version Cétautomatix dans Astérix, mais en plus gros.

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Sauf qu’en visitant le labo d’un collègue… Rien. Une paillasse, deux paillasses, une table optique avec un laser, des microscopes, un grooooos microscope. Mais rien qui ressemble à une enclume.

Réfléchissons plutôt à comment faire de très hautes pressions.

Si on veut appliquer une pression sur quelque chose, on appuie dessus. La pression, c’est en fait une force par unité de surface: c’est la force appliquée, divisée par la surface sur laquelle on l’applique. Dans la vie de tous les jours, nous sommes soumis à la pression atmosphérique: le poids de l’atmosphère (de la colonne d’atmosphère située au dessus) nous pèse dessus. Au milieu de la Terre, la pression est de l’ordre de 330GPa… Le poids de toute la colonne de matériel situé au dessus!

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Aucun gâteau n’a été sacrifié pendant l’écriture de cette chronique.

Au passage, rappelons que masse et poids, c’est différent! Le poids, c’est la force résultante de la masse… P=mg. Dans le cas de l’intérieur d’une planète, la gravité diminue en se rapprochant du centre, jusque atteindre 0. Donc le poids de la colonne de matériel est un tout petit plus compliqué qu’habituellement.

On mesure aussi la pression de  l’atmosphère en une unité plus simple… l’atm (pour « atmosphère » justement), qui est donc simplement une façon de dire que la pression atmosphérique vaut… 1atm ou aussi à peu près 1bar. 1atm, c’est la pression moyenne au niveau de la mer. 1bar, c’est aussi l’équivalent du poids exercé par 1kg de matière sur une surface d’1cm2. En Pascal, l’unité utilisée plus haut, ça correspond à environ 100 000 Pa. Donc 330GPa, c’est comme avoir à peu près 3 300 000 (3 millions) d’atmosphères au dessus de la tête. Pour comparaison, dans la fosse des Mariannes, l’abysse le plus profond sous terre, 11 000 kilomètres sous l’océan, la pression n’y est « que » de 1 100 atm.

Dans un laboratoire, on peut difficilement trouver un objet qui soit suffisamment lourd pour exercer une telle force sur une surface de 1 mètre carré! Par contre, imaginons que l’on réduise la surface… Si la surface est un million de fois plus petite qu’un mètre (donc que sa taille est 1000 fois plus petite), alors il suffira d’appuyer un tout petit peu pour atteindre des pressions énormes!

On peut faire l’analogie avec une punaise: d’un coté un endroit grand et plat (là où on appuie), de l’autre coté, une pointe très fine. Quand on appuie sur la punaise, on exerce une force très raisonnable. De l’autre coté, par contre, la surface (le mur) sur lequel la punaise s’appuie, une pression forte s’exerce, car la surface est toute petite.

C’est avec cette idée que les labos de hautes pressions ce sont remplis de tous petits diamants. Eh oui, un problème quand même, c’est de trouver un materiau qui va résister à ces pressions là sans se déformer! L’avantage c’est qu’on peut aussi voir se qui se passe dedans avec un microscope! On prend donc deux diamants dont la pointe est légèrement limée, on y place entre les deux un petit morceau de roche, et on appuie.

 

Évidemment, alors qu’on appuie, il faut aussi éviter que l’échantillon prenne la poudre d’escampette par les côtés… Donc on scelle les bords avec un petit morceau de métal, ou joint. Et pour que la pression exercée sur le matériel soit uniforme, on ajoute un composant fluide qui va transmettre la pression à l’échantillon: les diamants appuient sur le fluide, qui va elle-même appuyer sur l’échantillon, mais cette fois tout autour de l’échantillon et pas simplement sur les bords. Le fluide peut être de l’eau (c’est souvent très réactif avec l’échantillon, donc rare), du chlorure de sodium, ou sel de table (il devient très mou a haute pression), ou un gaz neutre comme l’argon qui devient liquide a haute pression. On peut aussi ajouter un autre petit cristal comme le rubis, ça permet (grâce à des données bien calibrées) de mesurer la pression au milieu.

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Schéma Wikipedia d’une cellule à enclume à diamants.

En effet, le gros problème dans ces expériences c’est de savoir exactement les conditions entre les deux diamants… Pas moyen d’y mettre le doigts (ou un baromètre) pour savoir quelle pression il y fait! Et quand on veut chauffer ((avec des petit fours comme des lampes halogène autour des diamants ou avec un laser, en passant à travers les diamants transparents), on ne sait pas non plus quelle température… Alors on calibre les expériences, avec des matériaux connus, on avance petit à petit, et surtout, à très haute pression, les barres d’erreur/incertitudes de mesures sont grandes.

L’avantage de cette technique c’est qu’elle est très compacte, on peut la transporter a la main et même prendre l’avion avec un cellule contenant les même pression qu’au centre de la terre. C’est aussi un outils qui peut être utilisé avec beaucoup de technique analytique qui permette d’observer les propriétés physique de se qui se passe dedans. On peut regarder la composition, la structure des molécules et des cristaux, les changement de phase (liquide, solide), etc.

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Cellule à enclume à diamants « en vrai », avec photo des diamants en insert. Crédits Photo: B. Journaux.
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Quand on dit compact… On ne parle que de la cellule! Exemple d’une table optique recouverte de matériel pour mesurer pression et vitesse du son dans la cellule. Crédits Photos: B. Journaux.

 

Les diamants utilisés pour des expériences HP (Haute Pression) sont souvent tous petits, et très souvent des diamants artificiels… Mais ils valent quand même le coup d’œil! Certains sont même parfois convertis a partir de vieux bijoux, peut être que vous ne regarderez plus les vôtres de la même façon?

 


Merci a Baptiste Journaux pour son aide (pour les photos, la relecture et les modifications!) Baptiste est un NASA post-doctoral Fellow, et fait des expériences hautes pressions pour comprendre la structure et l’évolution des satellites de glace (et bien d’autres choses) à l’Université de Washington, Seattle USA.

Pour aller plus loin:

 

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