Ce n'est pas un vélo en fibres de carbone comme pour les coureurs du Tour. !

    Vous allez sûrement vous rappeler des cours de chimie de première et de terminale sur le carbone.
    Il existe couramment deux variétés le diamant qui a une structure pyramidale d’arrangement des atomes, chacun étant lié aux quatre atomes voisins, ce qui lui confère ses qualités extraordinaires notamment de dureté, et le graphène,dont la structure est hexagonale et plane, chaque atome étant lié à trois autres, et ces structures planes s’empilent les unes sur les autres, sous forme de carbone graphite, d’où sa friabilité et sa conductivité électronique (la force de liaison entre structures hexagonales est faible - 2% de celles dans l’hexagone - et ces hexagones glissent donc facilement les uns sur les autres).
    C’est le graphite qui est la variété stable dans les conditions normales de température et pression, le diamant n’étant que métastable dans ces conditions et sa formation nécessitant des températures et pressions très élevées.


    Le graphène peut de mettre sous forme de nanotubes, les plans des hexagones prenat la forme d’un cylindre.Ces nanotubes ne sont constitués que d’un seul « plan » enroulé sur lui même et donc de l’épaisseur d’un atome de carbone, mai leur longueur peut atteindre le millimètre.
Il existe aussi des nanostructures composées de plusieurs couches hexagonales de carbone, fermées sur elles-mêmes, de forme polyèdrique avec une cavité au centre.

    En outre il existe des formes amorphes de carbone, désordonnées, mélange de graphite hexagonal et de diamant pyramidal.

    De plus on peut avoir du carbone liquide à haute température et pression (11Mpa et 4800 d°) ou gazeux (4100 d°C sous la pression atmosphérique. Il se condnse en se refroidissant sous forme de petites chaines d’atomes appelées carbyles, qui de lient sous forme de plaques ou de sphères pour composer la suie. Cette forme spéhérique compée de 20 à &00 atomes est appelée fullerène et a été explicitée dans les années 1985.

    Les chercheurs avaient alors par le calcul , montré que le carbone devait pouvoir également se structurer selon un cercle de 18 atomes, reliés entre eu par des liaions doubles de chaque coté, ou triple et simples. Mais cette structure est instable et personne n’avait pu la synthétiser.
Une équipe de chercheurs suisses d’IBM et d’Oxford au Royaume Uni, ont enfin réussi à créer cet anneau, sous un vide poussé et à -268 d°C. Ils sont passé par une forme contenant 24 atomes de carbone et 6 oxygène , qu’ils ont déposé sur une couchede chlorure de sodium déposé sur une plaque de cuivre.Puis, ils ont extrait six molécules d’oxyde de carbone CO, en utilisant la pointe d’un microscope électronique (voir le schéma ci-dessous) :


    
Les atomes de ce cyclo-carbone sont liés alternativement par des liaisons simples et triples, et il est semi-condusteur.
Ses propriétés vont être étudiées, puis il faudra essayer de produire des assemblages de molécules pour pouvoir leur trouver une utilisation pratique.

           Lorsqu’on est en vacances au bord de la mer, on vous pose des questions saugrenues, très terre à terre : Pourquoi la mer est elle bleue, pourquoi le ciel est il bleu, pourquoi le ciel est il noir la nuit ???
          Ce n’est pas toujours s simple que cela d’y répondre.

 Pourquoi la mer est elle bleue ?

          Effectivement l’eau est transparente, alors pourquoi celle de la mer est elle bleue ? Il y a plusieurs raisons :
          D’abord le reflet du ciel dans la mer : quand il fait beau la mer est bleue; quand le ciel est gris, la mer est vert-gris; les vagues rajoutent de petits moutons blancs dus au vent.
          Mais une autre raison, en fait plus importante,  est due au soleil qui diffuse une lumière blanche, en réalité composée de tout un spectre de couleurs c’est à dire de photons d’énergies diverses, les plus énergiques étant ceux qui correspondent au violet et au bleu).
          L’eau de la mer ne réagit pas de la même façon à tous le photons : elle va davantage absorber les photons de moindre énergie, c’est à dire les rouges, jaunes, oranges et elle absorbera moins les photons correspondant au bleu.
          Ceux-ci seront donc davantage réfléchis ou diffusés, et donc ce n’est pas l’eau qui est bleue, mais la lumière qui est diffusée et réfléchie par sa surface.
          Plus l’eau est profonde, plus la mer est bleue, car ce sont les seuls photons peu absorbés.
          Mais comment expliquer que la mer puisse être gris-vert, par temps moins beau. En fait l’agitation due au vent et à la tempête perturbe la réflexion et la diffusion des photons et des matières diverses sont « remuées » et mises en suspension.
          Par ailleurs si l’eau est calme et très transparente, la couleur du fond proche peut influer sur la couleur apparente de l’eau, le sable la faisant paraître gris-jaune, des algues pouvant donner l’impression d’une eau verte, voire rouge due à des microorganismes dinoflagellés ou turquoise, due à certains phytoplanctons. Les photons bleus sont alors absorbés et c’est la chlorophylle qui donnera la couleur verte.
          Vu des satellites, c’est l’océan profond qui prédomine est compte tenu de la grade surface des océans la terre est « la planète bleue ».

Pourquoi le ciel est il bleu ?

          Là encore l’air est invisible et transparent et donc le ciel bleu est encore un effet d’optique dû à la lumière solaire.
          Celle-ci est diffusée par les molécules d’azote et d’oxygène, qui sont très petites par comparaison à la longueur d’onde de la lumière diffusée. (je rappelle que la longueur d’onde associée à une lumière est inversement proportionnelle à l’énergie des photos correspondants).
          Or d’après la loi de Rayleigh, la diffusion est inversement proportionnelle à la  longueur d’onde à la puissance 4, c’est à dire proportionnelle à l’énergie à la puissance 4 des photons.
         La diffusion des photons rouges, orange, jaune est très faible vis à de celle des photons bleus plus énergétiques et donc la mer paraît bleue.

 Pourquoi le ciel de nuit est il noir ?

          On pourrait croire que vu les milliards d’étoiles, le ciel devrait être lumineux la nuit. Pourtant il n’en n’est rien, il est noir piqueté des points brillants que constituent les étoiles, et cela à longtemps intrigué les scientifiques, notamment Kepler ou Halley aux 17ème et 18ème siècles.
          Une première raison est due à l’énorme éloignement des étoiles, c’est à dire aux dimensions de l’univers.
          Une étoile lointaine émet dans toutes le directions et plus elle est éloignée, plus la proportion de lumière qui atteint la terre est faible, infime par rapport à celle qui nous vient du soleil. (le flux lumineux décroit comme le carré de la distance).
          Par ailleurs les étoiles ont une certaine durée de vie et certaines ont donc disparu.
          La vitesse de la lumière est finie (300 000 km/s), et donc il est possible que la lumière de nombreuses étoiles ne nous soit pas encore parvenue, tout dépend de la distance à laquelle elles sont et de la date de leur création.
          Ainsi, le noir que nous observons sur le fond cosmique est rempli d’étoiles dont la lumière n’a pas atteint la Terre, ou ne l’atteint plus…

          De plus l’univers n’est pas infini : il est né, selon la théorie du « big bang », il y a environ 13 milliards d’années et donc on ne peut rien voir au delà de 13 milliards d’années-lumière de distance, puisque au delà de cette distance aucune lumière n’était émise. Toutefois l’univers est en expansion, de telle sorte que ses limites sont plus importantes que cette distance et on suppose qu’il atteint environ 80 milliards d’années-lumière (8 X10 puissance 23 km).
        Néanmoins, même très grand, le nombre d’étoiles est donc limité et la lumière qu’elles émettent aussi.

           On a toujours des difficulté à se représenter cet univers, car ce n’est pas possible en trois dimensions, dans notre espace euclidien), mais il faut utiliser un espace plus complexe , celui de la relativité générale, où le temps est aussi une dimension,. On peut dans un tel espace où l’on peut continuer son chemin sans jamais rencontrer d'obstacle ou de point d'arrêt et que l'on peut explorer dans leur totalité en un temps fini, en se retrouvant au point de départ et donc cette univers ne présente pas de limite, comme le fait une sphère dans l’espace euclidien.

           De plus en raison de cette expansion de l’univers, la lumière subit l’effet Döppler du fait de la composition des deux vitesses. La lumière en provenance des étoiles est ainsi décalée vers le rouge, ce qui a permis de confirmer les théories d’expansion de l’univers, mais diminue également la lumière perceptible émise par celles-ci.

 On voit que contrairement aux raison simples qui expliquent le bleu du ciel et de la mer, la couleur noire du ciel la nuit est un phénomène très complexe.

               Les lampes à filament consomment trop d’énergie et on a donc cherché à les remplacer par des lampes utilisant d’autres procédés.  
               Une première solution a été de miniaturiser les tubes fluorescents « néons » allongés, en leur donnant une forme de spirale, ou en les repliant plusieurs fois sur eux mêmes, pour réduire leur volume et se rapprocher du format des lampes à filament. C’est un tube de verre allongé qui contient du mercure à l’état gazeux sous basse pression, mélangé à un gaz rare inerte tel l’argon.
              Des électrodes se trouvent aux deux extrémités du tube et une décharge électrique excite les atomes de mercure. Les électrons qui sont ainsi excités reviennent à l’état normal en émettant de la lumière ultraviolette. Celle ci va exciter à son tour, les électrons d’une poudre fluorescente déposée sur les parois du tube, et ces électrons vont revenir à l’état initial en émettant cette fois, de la lumière dans le spectre visible 
               L’appellation « tube néon » est en fait erronée, car des tubes avec du gaz néon sont utilisés, mais la lumière émise lors de la décharge est rouge et n’est pas assez énergique pour entrainer la fluorescence d’autre substances. Le mercure est un métal toxique et ces tubes ne peuvent être mis aux ordures et doivent être traités comme des déchets

              Dans le support du tube classique, un transformateur génère une tension continue qui est ensuite hachée pour produire une tension haute fréquence (environ 10 000 hz). De plus un condensateur se charge et permet d’amorcer les décharges en élevant brutalement la tension et une système électronique limite cette décharge. Cet ensemble électronique est appelé « ballast ». Les électrodes des deux bouts du tube, ainsi alimentées créent un champ électrique qui va attirer les électrons de la cathode vers l'anode. Pour produire ces électrons, deux filaments de tungstène sont chauffés près de la cathode. Le démarrage du tube n’est pas immédiat car il faut chauffer les électrodes pour qu’elles émettent les électrons.
             Ceci nécessite l’intervention d’un « starter »(à droite sur la figure ci-dessus). C’ est un petit tube rempli de gaz, muni d'un contact (bilame). Lors de la mise sous tension, un arc électrique se produit entre les lames du bilame, et l’échauffe : les lames déformées se touchent, le contact se ferme et l'arc électrique disparaît. Le courant qui passe alors permet le préchauffage des électrodes du tube. Au bout d'une seconde environ, le bilame a refroidi et le contact s'ouvre, coupant ainsi le courant du circuit. Le ballast crée alors une surtension qui amorce le tube.
            La tension aux bornes du tube diminue et rend impossible l'amorçage du starter jusqu'à la prochaine mise sous tension. Les amorçages se font alors spontanément à la fréquence imposée par le ballast. La consommation est moindre qu’en début de chauffe et d’amorçage.  
            Les lampes fluorescentes actuzllzsont un fonctionnement analogue au tube allongé, mais leur tube est replié sur lui même ou en spirale.

             Elles ont un meilleur rendement en lumière (60 à 70 lumens par watt), que les lampes à filament de tungstène (15 à 25 lumens par watt).
             Par contre elles sont beaucoup plus onéreuses. Elles contiennent du mercure et ne peuvent donc être mises aux ordures, et produisent des ultraviolets, ce qui n'est pas bon pour les yeux.
             Elles devraient avoir une vie beaucoup plus longue que les lampes à filament, mais ce n’est pas toujours le cas et je connais plusieurs personnes qui ont eu des durées de vie relativement faible de ces lampes, ce qui est alors prohibitif au plan financier. Il semble en particulier qu’elles résistent mal lorsqu’elles sont allumées et éteintes très souvent, de façon répétitive.
            Par ailleurs, le temps d’attente avant d’avoir la lumière est assez désagréable, voire gênant dans certains cas

             Quelques mots des leds, qui vont peu à peu remplacer les lampes à fluorescence. Là encore on devrait avoir de grandes longévités, mais on n’a pas assez de recul pour le contrôler. Elles sont encore chères, mais les prix baissent régulièrement du fait de la demande importante.
Elles consomment environ 10 fois moins que les lampes à filament et deux fois moins que les lampes fluorescentes.(de 20 à 200 lumen/watt).

             La lumière émise est relativement ponctuelle.
            Ce sont des diodes, des semi-conducteurs fabriqués à partir de l’empilement de couches de différents matériaux et d’épaisseurs différentes qui ne conduisent l’électricité que dans un sens, et la transition d’un électron s’accompagne de l’émission d’un photon lumineux. 
            Ce semi conducteur est soudé sur un support qui est à la fois conducteur de courant et de chaleur, puis protégé par une couche de matériau transparent permettant de laisser passer la lumière émise (souvent un dôme de silicone).
            Cette lumière est relativement monochromatique et pour pouvoir émettre de la lumière blanche, une couche de luminophore permet de convertir cette lumière monochromatique en lumière visible de plus large spectre.
    

         La fabrication de diodes avec des matériaux et des épaisseurs différentes permet de créer des diodes émettant des lumières d’une couleur donnée.

 Nous avons tous utilisé de nombreuses ampoules à filament de tungstène, qu’elles soient à culot à vis ou à baïonnette. Elles disparaissent peu à peu des magasins.
              Elles on fait de la résistance car les lampes fluorescentes qui devaient les remplacer étaient de mauvaise qualité, mais, comme on en achète moins, elles sont devenues plus chères.
             Les lampes leds, à peine plus chères, très résistantes et consommant beaucoup moins vont les remplacer.

    Je ne sais pas si vous avez vu une fois une boule de feu produite par la foudre ?
    Personnellement j’en ai vu deux fois étant jeune.

     La première fois, j’étais devant les carreaux de la fenêtre de ma chambre et je regardais notre jardin sous un orage et notamment le grand sapin d’une dizaine de mètres de haut, à une vingtaine de mètres de la fenêtre. J’avais dix ans, en 1942.
     Un coup de tonnerre effrayant presque en même temps qu’une boule de feu très lumineuse au sommet de l’arbre, puis elle est descendue le long du tronc en faisant de la fumée et a disparu dans la terre en quelques dixièmes de seconde.
     Le lendemain, on a constaté que l’arbre était étêté : la cîme de trois mètres était par terre, en partie carbonisée. Et tout le long du tronc une entaille carbonisée, et au pied, une petite cuvette dans la terre avec des cailloux qui avaient fondu et formaient une sorte de céramique. 

     La seconde fois c’était plus impressionnant ; j’étais dans la salle de séjour avec mes parents, ma soeur et mes frères, mes grands parents et une camarade de classe. Nous faisions nos devoirs sur la table; mes parents et grands parents étaient assis dans des fauteuils et mes frères jouaient à coté d’eux. J’avais à peine 15 ans.
    L’orage grondait au dehors, les coups de tonnerre étaient de plus en plus proches des éclairs et donc il se rapprochait.
   
    Soudain près de la fenêtre on voit tomber du haut métallique une boule de feu d’une vingtaine de centimètres, qui semblait tourner sur elle même, rouge et très lumineuse, tandis qu’on entendait comme un essaim d’abeille bourdonner. Elle a traversé le buffet en bois et a disparu dans la cheminée en grésillant, tandis qu’un coup de tonnerre assourdissant nous rendait sourds. Nos chevaux s’étaient dressés sur notre tête, pas de peur, mais chargés électrostatiquement, comme si on les avait frottés avec une peau de chat.
    Sur le moment on n’a pas peur, on n’a pas le temps : cela dure moins de 5  secondes.
    Heureusement personne n’était sur le trajet de la boule, il aurait été électrocuté, carbonisé. On est restés pétrifiés une minute, le cœur battant la chamade, puis on a constaté deux trous de 15 cm de diamètre dans le buffet, tout carbonisés autour et, dans une pile d’assiette, une sur deux était brisée en plusieurs morceaux. La poutre en bois de la cheminée avait aussi des traces de brûlure.
    
     J’étais alors en terminale et je suis allé voir mon prof de physique le lendemain, pour avoir des explications. Il ne m’a pas dit grand chose.car, à l’époque le phénomène était mal connu.
     A l’époque, on pensait qu’il s’agissait d’un plasma ionisé, c’est a dire un gaz très chaud, à quelques centaines de milliers de degrés, c’est à dire d’atomes et de molécules ayant perdu la plupart de leurs électrons.
    Quand la foudre tombe sur un paratonnerre, un courant de 30 000 d’ampères traverse le fil conducteur vers la terre et transporte 500 mégajoules. Il semblait plausible qu’un tel courant quand il n'y a pas de paratonnerre pour l'évacuer, chauffe l’air et qu’il y ait un énorme champ électromagnétique, qui confinerait cet air en boule de feu.
    Puis les électrons regagnent leurs atomes et la boule disparait, aspirée par l‘appel d’air de la cheminée. Quant aux assiettes c’est un effet électrostatique, la pile d’assiette se comportant comme une série de condensateurs et celle au milieu de deux autres, figurant l’isolant, cassant sous l’effet de la tension trop élevée, comme claque un condensateur en surtension.

    J’avoue que mon prof ne m’avait pas convaincu. Certes la boule était chaude, vu les trous carbonisés dans le bois, mais la fenêtre était intacte, juste fendue, mais le verre n’était pas fondu. Bizarre et mon prof n’en savait pas plus.

    A ma sortie de l’X j’ai lu en 1954/55 la théorie d’un physicien russe Piotr Kapitsa.
    Il prétendait que lorsque la foudre tombait, elle engendrait un large spectre de rayonnements, visibles, mais aussi ultraviolets, infra-rouges et aussi des microondes.
    Ces microondes pouvaient traverser le verre sans le fondre, et chauffer l’air de façon à le mettre en boule très chaude et former un plasma de très courte durée, à un endroit ou se croisaient les microondes directes et celles réfléchies par le sol.
    Mais un plasma se détruit en quelques millisecondes et la boule de feu dure bien plus longtemps.
    On n’était donc guère plus avancés que Tintin, dans les « Sept boules de cristal » (j’espère que vous l’avez lu au moins !!).

    En 2006 j’ai lu une étude du physicien israélien Eli Jerby, sur une » perceuse à micro-ondes » qu’il avait inventé. Dans un four, une électrode métallique focalise les micro-ondes et, lorsqu’elle est mise en contact avec un matériau de type céramique ou os,
elle crée un «point chaud » qui crée un trou par la vaporisation du matériau.
    Si l'électrode est retirée du matériau à percer, une boule flottante, d'une dizaine de centimètres de diamètre, rougeoyante, très similaire à la foudre en boule, est créée. Celle-ci dure tant que la puissance micro-onde est fournie et Eli Jerby pensait que ce n’était pas seulement l’air qui était chauffé, mais les poussières de silicium arrachées à la céramique et ce sont ces poussières qui permettaient une aussi longue durée du phénomène. 

    
    Je viens de lire une étude de 2014 au cours de laquelle des physiciens chinois ont pu, par hasard, analyser l’émission lumineuse d’une boule de feu de foudre (tombée sur le labo au cours d’une expérience de spectrographie), et déduire des raies spectrale, la présence de certains éléments (voir figure ci-dessous) : fer, silicium, calcium, azote et oxygène (de l’air).
    La boule de feu était extraordinaire : elle faisait 5 mètres de diamètre, et s’est déplacée sur 15 mètres de long en 1, 64 secondes.
    Cela confirmerait la thèse d’Eli Jerby  et des essais ont été faits au synchrotron de Grenoble pour analyser la boule de feu de sa perceuse.

    La théorie serait que la foudre vaporise du sable (dioxyde de silicium) et du carbone de la végétation et à haute température le carbone réduit le dioxyde de silicium en silicium pur, réaction dont la chaleur  dégagée entretient la réaction tant qu’il y a des poussières sous forme de nanoparticules dans l’air.
    Des chercheurs brésiliens se sont amusés à attaquer des plaquettes de silicium avec des pointes de soudage électriques à haute température, et ils ont fait des « bulles de feu » de quelques centimètres de diamètre, mais les boules roulaient sur le sol sans flotter dans l’air.
    Donc il ne s’agit plus d’un simple plasma ionisé d’atomes d’azote et d’oxygène, comme le croyait mon prof de physique,  mais de poussières de silicium et éventuellement d’autres métaux vaporisées par la décharge électrique de la foudre, et de réactions d’oxydo-réduction, provoquées au départ par les microondes rayonnées par la foudre et entretenues par la chaleur qu’elles dégagent par réaction chimique exothermique.

    Je mourrai moins bête : une énigme de mon adolescence résolue. Enfin pas totalement. Ils n’ont pas expliqué pourquoi une boule sphérique et pas un cylindre ou un cône. Je reste sur ma faim !!! lol