Lumière sur la lumière : la réalité des plasmas

Cet article est publié dans le cadre de la Fête de la Science 2018 dont The Conversation France est partenaire. Retrouvez tous les débats et les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr

Connaissez-vous le 4^e état de la matière ?

Ce grand méconnu se nomme l’état plasma. Et pourtant, la quasi-totalité de l’univers connu se présente sous la forme plasma.

En premier lieu, comme souvent en sciences physiques, il s’agit d’une histoire d’ énergie. Prenez un solide (un glaçon par exemple qui est la forme solide de l’eau) et apportez-lui de l’énergie en le chauffant : vous obtiendrez de l’eau liquide. Si vous insistez en chauffant encore, l’eau devient vapeur d’eau. Vous avez transformé le solide en liquide puis en gaz grâce à un apport d’énergie.

Maintenant si vous pouviez apporter de l’énergie supplémentaire à ce gaz en le confinant dans une enceinte fermée que se passerait-il ?

Une histoire de couple particule-énergie

Pour avoir une idée simplifiée et néanmoins exacte de la suite de l’histoire, il faut savoir que tout matériau est constitué d’un nombre très grand de particules. Ces particules s’appellent des atomes ou encore des molécules. Les molécules sont simplement des associations d’atomes.

Si les atomes sont fixés rigidement entre eux, la matière est sous forme solide ; en revanche si les atomes (ou molécules) sont agités de manière désordonnée la matière est gazeuse et d’ailleurs le gaz est d’autant plus chaud que ces constituants élémentaires sont agités.

Le mot atome vient du grec insécable, et pourtant les physiciens savent maintenant que les atomes possèdent une structure et sont eux-mêmes constitués de briques encore plus petites. Pour comprendre ce qu’est un plasma, il vous suffit de savoir que l’atome est composé d’un noyau (dont les constituants s’appellent protons et neutrons) et d’électrons. C’est le nombre d’électrons, de protons et de neutrons qui distingue les atomes entre eux.

Dans un atome, y a toujours exactement autant d’électrons que de protons. Ainsi l’atome « intact » n’est pas chargé électriquement.

L’électron est une particule chargée (d’où son nom), ainsi que le proton d’ailleurs.

Les charges électriques produisent une force particulière appelée force de Coulomb. Dans la vie courante, c’est la force de Coulomb qui attire les cheveux vers la brosse après frottement. Proton et électron ont la même charge en valeur mais de signes opposés, ils s’attirent. La force électrique peut être attractive comme entre le proton et l’électron ou répulsive comme entre deux protons ou deux électrons.

Atomes ionisés

Revenons à notre gaz auquel nous apportons de l’énergie ; l’énergie apportée contribue à augmenter la température c’est-à-dire que les atomes ou molécules s’agitent de plus en plus, se choquent et s’entrechoquent et se disloquent. Ceci conduit à une désolidarisation de quelques électrons d’avec leur noyau, ceux- ci étant très petits et très mobiles ils entraînent des chocs avec les atomes voisins qui arrachent encore et encore des électrons à la manière d’une avalanche. Ces atomes altérés par la perte d’un électron périphérique sont dits ionisés et deviennent actifs électriquement. Ils sont appelés des ions ou des ions moléculaires s’il s’agit de molécules ayant perdu un ou plusieurs électrons.

Dans le milieu gazeux, en conséquence de ces collisions apparaissent des charges électriques libres : les ions et les électrons.

C’est pour cette raison que le gaz n’est plus tout à fait un gaz car les électrons et les ions sont porteurs d’électricité et apparaît une force électrique entre tous ces composants : la force de Coulomb.

Un nouvel état de la matière

La force de Coulomb entre toutes les charges tend à rétablir un certain ordre qui s’oppose au désordre de l’agitation ; ceci confère au milieu des propriétés uniques qui font de cet état où électrons et noyaux sont partiellement dissociés un nouvel état de la matière : la matière est alors sous forme d’un plasma.

Le plasma ne se comporte plus comme un gaz, ni comme un liquide ni comme un solide. Il possède ses propres lois.

Le plasma est un milieu particulièrement énergétique qui tend à échanger son énergie avec son environnement. Ces échanges d’énergie du plasma vers l’environnement peuvent se produire sous la forme de bombardements de ses particules ions, électrons ou atomes ou bien encore sous forme d’émission de lumière. C’est d’ailleurs cette lumière des plasmas que tout un chacun peut observer sur terre ; il existe dans la nature quelques spectaculaires plasmas visibles à l’œil nu : soleil, aurores boréales, foudre et étoiles filantes, soit autant de plasmas que nous observons couramment mais souvent sans en reconnaître la spécificité commune.

Plasmas familiers

En effet les étoiles et en particulier notre soleil sont des plasmas. La taille de ses astres explique pourquoi la majorité de l’univers connu est sous forme plasma. Au cœur du soleil un immense plasma de fusion thermonucléaire transforme l’hydrogène en Hélium et libère de l’énergie.

Les aurores boréales sont des plasmas qui s’allument lorsque les particules chargées venant du soleil sont emprisonnées dans notre bouclier magnétique terrestre.

Les étoiles filantes sont aussi des plasmas qui apparaissent lorsque les frottements dus aux grandes vitesses de pénétration dans l’atmosphère arrachent les électrons aux météorites et les réduisent en partie minimes sans quoi nous serions en danger. L’atmosphère, ça frotte, ça chauffe.

La foudre est un plasma qui s’établit entre le sol et un nuage chargé d’électricité. Sur son trajet l’éclair apporte assez d’énergie pour casser les molécules d’azote de l’air.

Voici déjà quatre plasmas naturels que nous connaissons et qui sont nécessaires à notre vie.

Ces derniers siècles, les physiciens ont apprivoisé le plasma dans les laboratoires. Il est devenu un outil majeur bien que méconnu dans moult domaines, dont les applications s’élargissent sans cesse.

Micro-électronique et éclairage

Un champ où le plasma est un outil indispensable est celui de la micro électronique. Cette science née dans les années 1980 consiste à usiner des circuits électriques à des échelles de taille extrêmement réduites. Sans miniaturisation nos téléphones mobiles et portables et nos ordinateurs n’existeraient tout simplement pas !

Pour réduire la taille de ces circuits, le seul moyen est d’avoir un outil de fabrication très fin. C’est le cas avec les particules chargées énergétiques des plasmas. Celles- ci interagissent avec les matériaux lors de procédés habiles et sophistiqués dont le principe est celui du dépôt de matière et de la gravure. Le plasma remplace le graveur dont le burin de la matière est l’ensemble des ions chargés qui bombardent et se déposent sur de si petits morceaux de silicium qu’on les appelle « puces ».

Un autre domaine que le plasma a particulièrement investi est celui de l’éclairage. En effet le plasma peut rendre son énergie en émettant de la lumière. Lorsqu’il est confiné dans un tube aux parois transparentes, la lumière du plasma nous parvient. Ainsi les tubes « néon » ou plus exactement fluorescents sont des tubes en verre contenant des gaz inertes tels que l’argon et à l’intérieur desquels le milieu lumineux est un plasma.

Le plasma est obtenu par une décharge électrique entre les deux extrémités du tube et ce que nous voyons résulte de la fluorescence d’une poudre déposée sur les parois du tube selon la couleur que fabrique l’enseigniste (vert pharmacie par exemple).

C’est également la couleur bleue d’un plasma de xénon qui se remarque sur certains phares de voiture.

Nouvelles applications

Depuis quelques années les effets du plasma sur les milieux vivants sont à l’étude ; il se trouve que des résultats plus qu’encourageants ont été obtenus dans le traitement des cancers. Actuellement l’impact de traitements plasma sur l’eau pour la dépollution ou bien sur des végétaux sont des sujets en pleine investigation.

Les plasmas sont également un sujet d’investigation universel : pour preuve le projet international ITER dont l’ambition est de réaliser la fusion nucléaire contrôlée de l’hydrogène afin de produire de l’électricité. (iter.org). Pour cela des noyaux légers seront confinés dans un plasma extrêmement chaud (plusieurs millions de degrés) et leur fusion libérera plus d’énergie qu’elle en consomme.

La construction du réacteur plasma est en cours dans le sud de la France et l’allumage du premier plasma est prévu pour 2025. Ce réacteur cristallise de nombreuses questions de recherche dans le domaine de la physique des plasmas notamment.

Plasma et propulsion

Le plasma est également utilisé pour propulser des satellites.

Les films de science-fiction présentent souvent des vaisseaux spatiaux qui se déplacent avec des propulseurs très bleus à l’arrière. Ces propulseurs ne sont pas que du cinéma : il s’agit bel et bien de propulseurs plasmas.

Le principe de fonctionnement est le principe de l’action- réaction dont l’expérience commune est le recul de la crosse d’un fusil lors du tir.

Un propulseur plasma est une source plasma de laquelle les ions peuvent s’échapper. En s’échappant, ils propulsent le vaisseau en sens opposé et ce d’autant plus efficacement que les ions sont rapides et lourds. Usuellement la couleur des propulseurs en fonctionnement est celle des ions de xénon. Cette technologie est couramment utilisée dans l’espace pour le maintien des satellites sur leur orbite et sera peut-être la technologie qui emmènera l’homme sur Mars.

Les plasmas ne sont pas que des effets spéciaux du cinéma. Ils sont présents à l’état naturel et dans l’industrie, comme l’illustrent les exemples ci-dessus ; et ils sont si visibles dans notre quotidien que nous ne les remarquons plus.

Ouvrons les yeux ! La lumière des plasma est partout.

Titaina Gibert, Maitre de Conférences, Université d’Orléans

La version originale de cet article a été publiée sur The Conversation.