Lignes de percolation dans un fluide supercritique
Résumé
The aim of this thesis is to establish the correspondence between the phase diagram of a simple fluid and its microscopic structure in terms of clusters of particles. Large scale Monte-Carlo and molecular dynamics calculations suggest that self-bound clusters are present in the supercritical phase, that is for temperatures above the critical one. These clusters, that are cooler than the system, generate a percolation line, characterized by the universal exponents of random percolation in three dimensions. This line, which starts at the thermodynamical critical point, is almost iso-energetic. Moreover, a non percolating macroscopic cluster appears as soon as one penetrates into the two-phase region for densities below the critical one. This clean correspondence between thermodynamics and morphologic changes is a natural consequence of the definition of clusters on physical grounds. Various experiments, within the reach of present day experimental techniques, are suggested to show the presence of these self-bound clusters and the existence of the critical percolation line. We have also studied the case of small systems, in order to discuss experiments of atomic aggregates and atomic nuclei fragmentation. Indeed, by simulations of the expansion of a liquid droplet, we have showed that self-bound clusters are the precursors of the observed fragments at the end of the fragmentation process. In small systems, critical behaviours are less pronounced, but the properties of the self-bound clusters remain qualitatively valid. In addition to its relevance in fundamental research, this work may allow a better understanding of the solubility of supercritical fluids used in many industrial processes.
Le but de cette thèse est d'établir la correspondance entre le diagramme de phase d'un fluide simple et sa structure microscopique en termes d'amas. Les calculs de dynamiques moléculaire et Monte-Carlo que nous avons réalisés sur des systèmes de grandes tailles suggèrent que des amas énergétiquement stables existent dans la phase supercritique, c'est à dire pour des températures supérieures à la température critique. Ces amas qui sont plus froids que le fluide, engendrent une ligne de percolation, caractérisée par les exposants de la percolation aléatoire à trois dimensions. Cette ligne, qui part du point critique thermodynamique, est pratiquement iso-énergétique. Par ailleurs, un amas macroscopique non percolant se forme au passage de la courbe de coexistence liquide-gaz pour des densités inférieures à la densité critique. Cette interprétation géométrique de la condensation renforce l'idée que ces amas sont des objets physiques. Des expériences réalisables dans des systèmes macroscopiques sont proposées pour mettre en évidence la présence de ces amas stables et en particulier l'existence de cette ligne de percolation. Le cas des systèmes de petites tailles est également considéré afin de discuter des expériences de fragmentation de noyaux et agrégats atomiques. En effet, par la simulation de l'expansion d'une gouttelette de fluide, nous avons montré que les amas stables étaient les précurseurs des fragments observés lors d'un processus de fragmentation. Bien que les les comportements critiques soient atténués, les propriétés des amas stables restent valables dans ces petits systèmes. Enfin, l'analyse d'une expérience de fragmentation de noyaux atomiques montre un très bon accord entre les données expérimentales et les prédictions théoriques. Outre son intéret sur le plan fondamental, ce travail pourrait permettre une meilleure compréhension des propriétés de solubilité des fluides supercritiques, utilisés dans de nombreuses applications industrielles.