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ÉTAT DE LA MATIÈRE

L'expérience quotidienne permet à chacun d'appréhender la notion d'état de la matière (parfois appelé phase) et celle de transition de phase qui lui est étroitement liée. L'exemple typique est celui des trois états si différents que prend l'eau lorsque sa température varie : à partir de 0 0C, les cristaux de glace solide, isolés dans la neige ou assemblés en réseau de grande taille dans un iceberg ou sur un lac gelé, passent à l'état liquide de l'eau si indispensable à la vie, et à 100 0C la vaporisation complète laisse les molécules constitutives se mouvoir de façon erratique dans un gaz. Cette succession d'états, solide, liquide et gazeux, est un phénomène assez général pour qu'il semble opportun d'en étudier les propriétés de façon unifiée. On a l'habitude d'ajouter à cette liste traditionnelle un quatrième état abondamment présent dans l'Univers, le plasma, système gazeux globalement neutre mais constitué d'atomes ou de molécules ionisés.

La diversité des états pour une notion plus générale

Les penseurs grecs soulignaient déjà la diversité des états sous lesquels apparaissent les quatre éléments : terre, eau, air et feu. L'étude scientifique des états de la matière nécessite de préciser leurs caractéristiques et de décrire quantitativement les transitions d'un système d'un état à un autre. Chaque état est déterminé par la connaissance de paramètres intensifs comme la température, la pression, le champ électrique ou magnétique. En s'écartant des conditions usuelles, l'expérience révèle alors qu'un même système solide peut se trouver sous une plus grande diversité d'états (les nombreux états de la glace ordinaire ou des aciers) qu'on caractérise parfois par leurs propriétés (état conducteur, état isolant, etc.), mais le plus souvent par leurs symétries. La simplification du classement en quatre états devient alors trop grossière. Par ailleurs, la découverte de l'état critique démontra que la distinction des états liquide et gazeux est quelque peu arbitraire, et qu'il est préférable de leur substituer la notion d'état fluide. La compréhension de l'état vitreux, mais aussi des cristaux liquides, des gels, des argiles ou des polymères, mit aussi à mal ce classement, que perturbaient encore davantage les découvertes de phénomènes de nature quantique comme la supraconductivité et la superfluidité.

Les particularités et ressemblances des quatre états fondamentaux

Si les quatre états traditionnels de la matière (solide, liquide, gaz, plasma) ont quelques points communs avec les quatre éléments antiques (terre, eau, air, feu), leur signification est toute différente. Ainsi, Thalès considérait que l'eau liquide n'avait pas strictement la même substance que la glace, cette dernière ayant acquis certaines caractéristiques de l'élément terre. Au contraire, la division classique issue de la thermodynamique du xixe siècle indique que les propriétés physiques du système sont modifiées sans que sa composition chimique le soit. Alors que cette description s'est développée sans aucune référence – et même plutôt en opposition – à la structure atomique de la matière, elle est maintenant comprise comme résultant de l'étude globale d'un très grand nombre de constituants (atomes ou molécules), par les méthodes et avec les concepts de la physique statistique.

L'état gazeux, et particulièrement son idéalisation dans ce qu'on appelle le gaz parfait, est caractérisé par son désordre total. La première étude systématique du comportement d'un gaz permet à Robert Boyle de montrer en 1662 que les caractéristiques d'un gaz – pression, température, volume – obéissent à une équation d'état qui permet de décrire son comportement. Quelques années plus tard, Isaac Newton démontre cette loi à partir d'un modèle où il assimile les constituants du gaz à des ressorts entre lesquels agissent des forces répulsives. Constitués uniquement de molécules neutres, les gaz sont des isolants électriques.

L'état liquide est si peu différent de l'état gazeux qu'il est raisonnable de les grouper sous le terme d'état fluide. Pourtant, la plus grande proximité de ses constituants permet que ses propriétés électriques soient fort différentes. De même, l'état vitreux, malgré son aspect solide, a toutes les caractéristiques d'un fluide très visqueux dont les mouvements internes seraient quasi figés.

Parler de l'état solide apparaît vite comme une simplification abusive. On sait bien que les atomes de carbone ne sont pas agencés de la même façon dans un diamant, un morceau de graphite ou encore de charbon. La physique de l'état solide a dénombré et caractérisé les états cristallins correspondants. Les symétries spatiales des mailles élémentaires de ces réseaux atomiques et les propriétés de leurs nuages électroniques sont la cause de leurs propriétés macroscopiques, mécaniques ou électromagnétiques. Certains solides sont isolants ou conducteurs suivant les conditions qu'on leur impose. Il est alors légitime de parler d'un état isolant et d'un état conducteur. Les propriétés magnétiques dépendent également de la température d'un solide, et on doit parfois distinguer un état paramagnétique d'un état ferromagnétique.

Le plasma est l'état le plus répandu dans l'Univers. Découvert en 1870 par William Crookes lors d'expériences sur les effets des décharges électriques dans les gaz, c'est un gaz de molécules ionisées qu'on peut considérer comme un ensemble d'électrons et d'ions libres. Il peut être obtenu en portant un gaz à plus de 10 000 0C. Étoiles et espaces interstellaires et intergalactiques sont des plasmas. La magnétosphère et l'ionosphère en sont également, comme les éclairs atmosphériques et les aurores boréales. Les applications techniques sont importantes : tubes à néon, arcs électriques pour soudure, écrans à plasma, essais de domestication des réactions thermonucléaires.

Phénomènes quantiques et transitions de phase

À basses températures apparaissent des états dont les propriétés extrêmes pourraient avoir un impact important sur les technologies futures. La supraconductivité est le phénomène de parfaite conduction électrique qu'on peut observer pour de nombreux solides. Découverte d'abord à extrêmement basse température (de l'ordre de quelques kelvins [0 K ≈ – 273 0C]), cette propriété a été ensuite observée dans certains matériaux à des températures plus facilement accessibles. La superfluidité est la disparition de la viscosité de quelques liquides formés par des atomes d'hélium. Ces deux comportements sont qualitativement expliqués par la prise en compte de phénomènes collectifs quantiques.

Signalons enfin des états surprenants dont l'existence est maintenant communément admise par les scientifiques, mais dont la compréhension est loin d'être achevée. Le condensat de Bose-Einstein est l'état de certains systèmes atomiques à des températures inférieures au microkelvin. À l'autre bout de l'échelle des températures, le plasma de quarks et de gluons – analogue pour les interactions nucléaires à l'état du plasma pour les interactions électromagnétiques – est l'état de la matière où quarks et gluons ne sont plus confinés en protons et neutrons, mais agissent collectivement. Cet état pourrait avoir existé au tout début de l'Univers, une microseconde après l'explosion primordiale.

L'étude de la solidification ou de la vaporisation de l'eau, et plus généralement des changements d'état, a permis de construire une théorie générale de ces transitions de phase. Depuis les travaux de Paul Ehrenfest (1933), on les classe en deux types. Les transitions du premier ordre, la fusion et la vaporisation par exemple, s'accompagnent d'une discontinuité de l'entropie, ce qui se traduit par l'existence d'une chaleur latente de transformation. Elles sont caractérisées par le fait que, au point de transition, les deux phases en présence sont en équilibre. Celles du second ordre, comme les transitions magnétiques et les transitions superfluide et supraconductrice, sont sans chaleur latente. Elles sont le signe d'un changement de symétrie, auquel est associée la notion de paramètre d'ordre ; le groupe de symétrie de l'état le moins symétrique est un sous-groupe du groupe de symétrie de l'état le plus symétrique. À la suite des travaux de Lev Landau et Lars Onsager, Ken Wilson a établi en 1972 une théorie mathématique des changements d'état dans le cadre de l'étude des phénomènes critiques.

Auteur: Bernard PIRE
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