Des physiciens font exploser des gouttes d’eau grâce à des impulsions laser

Une explosion se définit par la libération d'une haute densité d'énergie au sein d'un matériau donné. La mise à feu de poudre à canon, par exemple, provoque une réaction chimique générant de la chaleur sous la forme d'une soudaine accumulation d'énergie. La chaleur provoque une détente rapide de gaz, créant une différence de pression entre le gaz en question et l'atmosphère qui l'entoure. C'est ce front de contact qui provoque un souffle détonant ou déflagrant capable de détruire de la matière solide, de l'objet de petite taille en passant par une ville entière ou une galaxie. Mais l'explosion peut également être provoquée à l'échelle nanométrique. Endommageant de petites surfaces de tissus organiques, par exemple.

Ce dernier exemple caractérise ce qui advient lors d'une opération de chirurgie laser : un morceau de tissu est chauffé, puis vaporisé lors d'une minuscule explosion. Les lasers sont des outils très utiles lorsque l'on a quelque chose à faire exploser. Lors d'une ablation laser, par exemple, on focalise un faisceau laser pulsé sur matériau, délivrant soudainement de grandes quantités d'énergie au sein de ses entrailles. Cette technique est le plus souvent pratiquée en utilisant la longueur d'onde optique des faisceaux laser, mais on peut utiliser d'autres longueurs d'onde du spectre électromagnétique, qui est évidemment beaucoup plus large.

Une équipe de chercheurs de l'Université Stanford et de l'Institut Max Planck, s'est acharnée à faire exploser toutes sortes de trucs en utilisant des lasers à électrons libres (XFEL). Ils décrivent leurs recherches dans un article publié lundi dans Nature Physics. Générer des impulsions de rayons X à l'échelle de la femtoseconde est une toute nouvelle capacité, expliquent les physiciens. Ces impulsions ont l'avantage de créer des explosions très simples, d'un point de vue dynamique, contrairement aux lasers optiques.

« Les explosions sont des phénomènes spectaculaires et fascinants qui montrent la dynamique de la matière dans des conditions extrêmes, » expliquent les chercheurs. « Nous avons étudié, en utilisant un système d'imagerie par résolution temporelle, des explosions induites par des impulsions laser de rayons X dans des gouttes et des filets d'eau. Nos observations montrent une vaporisation explosive suivie par des interactions de flux à grande vitesse entre eau liquide et vapeur d'eau, puis par la génération d'une série de chocs dans les jets de liquide. »

« Ces flux diffèrent de ceux précédemment observés dans l'ablation laser, en raison d'une configuration spatiale plus simple de l'absorption des rayons X. »

L'idée de base est que le faisceau de rayons X entrant provoque la création d'ions positifs dans le liquide cible ; ceux-ci vont ensuite piéger les électrons par la force électrostatique (les charges positives aiment bien des charges négatives.) Ces électrons, pendant ce temps-là, absorbent les photons de l'impulsion laser. Le résultat de tout ceci est le réchauffement extrême abrupt région longue et étroite de la goutte d'eau, sur le tracé du faisceau laser.

L'extrême densité d'énergie de cette région explosive filamentaire est quelque chose qui n'avait jamais été vu auparavant dans une expérience d'ablation laser. Diriger un faisceau laser optique au cœur d'une goutte d'eau a provoqué une focalisation de ce faisceau en un point unique, appelé point d'accès : il en résulte une longue trace explosive de matière sous tension.

Le résultat final de l'expérience a donc été la fragmentation et la vaporisation des gouttelettes d'eau ciblées, laissant un nuage en forme de disque autour du trajet du faisceau laser, et non pas une sphère comme celle que l'on observe d'habitude au cours d'une explosion ciblée.

Les explosions par rayons X sont donc extrêmement bizarres. Parfait. Mais que retire-t-on de tout cela ? Pour commencer, ces expériences nous montrent que l'on peut générer des explosions relativement bien contrôlées qui ne souffrent pas du problème de focalisation cité précédemment. Cela offre également la possibilité d'utiliser des faisceaux laser pour étudier de nouveaux phénomènes dynamiques au sein de la matière.

Comme l'expliquent les auteurs, « ces expériences révèlent, avec une résolution spatiale et temporelle sans précédent, la structure et la dynamique des liquides purs. »