The high-frequency dynamics of liquids and supercritical fluids

Dynamique à haute fréquence des systèmes liquides et supercritiques

Filippo Bencivenga (1)

1 ESRF - European Synchrotron Radiation Facility

The thesis reports an experimental investigation of the microscopic dynamics in four prototype systems (i.e. Neon, Nitrogen, Ammonia and Water) in their respective liquid and supercritical phase, utilising inelastic X-ray scattering (IXS). The coherent dynamic structure factor, S(Q,w) was determined in the momentum transfer, Q (2 - 15 nm-1), and a frequency, w ( 1 - 60 THz), range corresponding to characteristic length and time scales of the microscopic dynamics in the nanometres and picoseconds regime. The experimental data have been interpreted in the framework of the generalized hydrodynamic theory. This formalism allows identifying the relaxation processes describing the intermolecular interactions, and provides quantitative values for the relaxation times and strengths, as well as related macroscopic quantities (sound speed and viscosity).
On going from the liquid into the supercritical phase, a qualitative common phenomenology has been observed. The main findings are the following: (i) A weakening of the positive sound dispersion associated to the structural relaxation. (ii) A change in the dominant microscopic mechanism responsible for intermolecular interactions that, in the liquid phase, are mainly represented by bonds while, in the supercritical phase, are dominated by intermolecular collisions.

La thèse concerne une étude expérimentale sur la dynamique microscopique dans quatre systèmes prototypes (c'est-à-dire : le Néon, l'Azote, l'Ammoniaque et l'Eau) dans leurs phases liquide et supercritique. La technique expérimentale utilisée a été la diffusion inélastique des rayons-X (IXS). Le facteur de structure dynamique cohérent, S(Q,w), a été déterminé dans une gamme de moment transférés, Q (2 - 15 nm-1), et de fréquences, w (1 - 60 THz), correspondant à les longueurs et à des temps caractéristiques de la dynamique microscopique dans le régime des nanomètres et des picosecondes. Les données expérimentales ont été interprétées dans le cadre de la théorie hydrodynamique généralisée. Ce formalisme permet d'identifier les processus de relaxation qui décrivent la dynamique microscopique du système et de fournir des valeurs quantitatives pour les temps et les forces des processus de relaxation. Il est aussi possible de déterminer des quantités macroscopiques comme la vitesse du son et la viscosité.
En allant de la phase liquide à la phase supercritique, une phénoménologie commune a été qualitativement observée. Les conclusions principales sont les suivantes : (i) Un affaiblissement de la dispersion positive associée à la relaxation structurelle. (ii) Un changement dans les mécanismes principaux responsables des interactions intermoléculaires à un niveau microscopique. Dans la phase liquide les interactions intermoléculaires sont surtout des liens intermoléculaires, d'autre part, dans la phase supercritique, ces interactions sont dominées par les collisions intermoléculaires.

Mots clés: relaxation processes<br />inelastic X-ray scattering<br />supercritical phase<br />microscopic dynamics

Mots clés: processus de relaxation <br />diffusion inélastique de rayons X <br />phase supercritique <br />dynamique microscopique

Domaines: Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]; Acoustique [physics.class-ph]

Filippo Bencivenga. The high-frequency dynamics of liquids and supercritical fluids. Fluid Dynamics [physics.flu-dyn]. Université Joseph-Fourier - Grenoble I, 2006. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00121509⟩