L’entropie est la mesure du désordre dans un système qui se produit sur une période de temps sans qu’aucune énergie ne soit déployée pour rétablir l’ordre. Zentropy intègre l’entropie à des niveaux multi-échelles. Crédit : Elizabeth Flores-Gomez Murray/Jennifer M. McCann, Penn State.
L’un des défis de la conception des matériaux est que, dans les matériaux naturels et artificiels, le volume diminue ou augmente parfois avec l’augmentation de la température. Bien qu’il y ait des explications mécaniques à ce phénomène pour certains matériaux spécifiques, une compréhension générale de la raison pour laquelle cela se produit parfois fait défaut.
Cependant, une équipe de chercheurs de l’État de Pennsylvanie a mis au point une théorie permettant d’expliquer et de prédire ce phénomène : la zentropie.
La zentropie est un jeu de mots sur l’entropie, un concept central de la deuxième loi de la thermodynamique qui exprime la mesure du désordre d’un système qui se produit sur une période de temps lorsqu’aucune énergie n’est appliquée pour maintenir l’ordre dans le système. Pensez à la salle de jeux d’une école maternelle : si aucune énergie n’est déployée pour la garder en ordre, elle devient rapidement désordonnée, avec des jouets partout sur le sol, un état d’entropie élevée. Si l’on consacre de l’énergie au nettoyage et à l’organisation de la salle après le départ des enfants, la salle revient à un état d’ordre et de faible entropie.
La théorie de la zentropie note que la relation thermodynamique de la dilatation thermique, lorsque le volume augmente en raison d’une température plus élevée, est égale à la dérivée négative de l’entropie par rapport à la pression, c’est-à-dire que l’entropie de la plupart des systèmes matériels diminue avec une augmentation de la pression. Cela permet à la théorie de l’entropie de pouvoir prédire le changement de volume en fonction de la température à un niveau multi-échelle, c’est-à-dire les différentes échelles au sein d’un système. Chaque état de la matière a sa propre entropie, et les différentes parties d’un système ont leur propre entropie.
“C’est donc à cela que sert l’équation de Zentropie, à les empiler. Elle crée une fonction de partition qui est la somme de toutes les échelles d’entropie.”
– Zi-Kui Liu, Professeur Dorothy Pate Enright de science et d’ingénierie des matériaux.
“Lorsque nous parlons de l’entropie de configuration (les différentes façons dont les particules se réarrangent au sein d’un système), cette entropie n’est qu’une partie de l’entropie du système”, a déclaré Zi-Kui Liu, professeur titulaire de la chaire Dorothy Pate Enright en science et génie des matériaux et chercheur principal de l’étude. “Il faut donc ajouter l’entropie des composants individuels de ce système dans l’équation, puis considérer les différentes échelles, l’univers, la Terre, les gens, les matériaux, ce sont différentes échelles au sein de différents systèmes.”
Les auteurs de l’étude, publiée dans le Journal of Phase Equilibria and Diffusionestiment que la zentropie pourrait permettre de prédire les anomalies des propriétés physiques des phases au-delà du volume. En effet, les réponses d’un système à des stimuli externes sont déterminées par l’entropie.
Les fonctionnalités macroscopiques des matériaux proviennent d’assemblages d’états microscopiques (micro-états) à toutes les échelles, à l’échelle de l’état macroscopique étudié et en dessous. Ces fonctionnalités sont difficiles à prédire parce que seulement un ou quelques micro-états peuvent être considérés dans une approche de calcul typique telle que les calculs prédictifs “dès le début”, qui aident à déterminer les propriétés fondamentales des matériaux.
“Ce défi devient aigu dans les matériaux présentant de multiples transitions de phase, qui sont des processus qui convertissent la matière d’un état à un autre, comme la vaporisation d’un liquide”, a déclaré Liu. “C’est souvent là qu’existent les fonctionnalités les plus transformatrices, comme la supraconductivité et la réponse électromécanique géante.”
La théorie de la zentropie “empile” ces différentes échelles dans une théorie de l’entropie qui englobe les différents éléments d’un système entier, présentant une formule imbriquée pour l’entropie des systèmes complexes multi-échelles, selon Liu.
“Vous avez ces différentes échelles et vous pouvez les empiler avec la théorie de la zentropie”, a déclaré Liu. “Par exemple, les atomes en tant que propriété vibratoire, c’est une échelle basse, puis vous avez l’interaction électronique, c’est une échelle encore plus basse. Alors maintenant, comment les empiler pour couvrir l’ensemble du système ? C’est ce que fait l’équation de Zentropie, en les empilant ensemble. Elle crée une fonction de partition qui est la somme de toutes les échelles d’entropie.”
“La théorie de la Zentropie a le potentiel d’être appliquée à des systèmes plus grands car l’entropie entraîne des changements dans tous les systèmes, qu’il s’agisse de trous noirs, de planètes, de sociétés ou de forêts.”
– Zi-Kui Liu, Professeur Dorothy Pate Enright de science et de génie des matériaux.
Ce siteLe laboratoire de Liu travaille sur cette approche depuis plus de 10 ans et a publié cinq études différentes.
“L’idée est en fait devenue très simple après que nous l’ayons étudiée et comprise”, a déclaré Liu.
La zentropie a le potentiel de changer la façon dont les matériaux sont conçus, en particulier ceux qui font partie de systèmes exposés à des températures plus élevées. Ces températures, étant donné la dilatation thermique, pourraient causer des problèmes si les matériaux se dilatent.
“Cela a le potentiel de permettre la compréhension fondamentale et la conception de matériaux avec des propriétés émergentes, comme de nouveaux supraconducteurs et de nouveaux matériaux ferroélectriques qui pourraient potentiellement conduire à de nouvelles classes d’électronique”, a déclaré Liu. “D’autres applications, comme la conception de meilleurs matériaux structurels résistant à des températures plus élevées, sont également possibles.”
Bien qu’il y ait des avantages pour la société en général, les chercheurs pourraient appliquer la zentropie à de multiples domaines. Cela s’explique par la façon dont l’entropie est présente dans tous les systèmes.
“La théorie de la Zentropie a le potentiel d’être appliquée à des systèmes plus grands, car l’entropie entraîne des changements dans tous les systèmes, qu’il s’agisse de trous noirs, de planètes, de sociétés ou de forêts”, a déclaré Liu.
Référence : “Zentropy Theory for Positive and Negative Thermal Expansion” par Zi-Kui Liu, Yi Wang et Shun-Li Shang, 3 février 2022, Journal of Phase Equilibria and Diffusion.
DOI: 10.1007/s11669-022-00942-z
Outre Liu, les autres auteurs de l’étude sont Yi Wang, professeur de recherche en science et ingénierie des matériaux, et Shun-Li Shang, professeur de recherche en science et ingénierie des matériaux. Ces travaux ont été soutenus par la National Science Foundation, le ministère de l’Énergie et le ministère de la Défense.
