Constructeur LEGO et zéro absolu

Le réveillon du Nouvel An approche. Pour certains, c'est deux jours dans la cuisine pendant dix minutes à table, pour quelqu'un c'est une excellente occasion de réunir tous vos amis et parents, et pour quelqu'un ce sont des miracles, le Père Noël et, bien sûr, des cadeaux sous le sapin de Noël. D'année en année, les enfants font une liste de souhaits pour le sorcier omnipotent à barbe grise (je parle du Père Noël, pas de Gandalf), et mes parents font de leur mieux pour réaliser ces souhaits. Les temps changent, les souhaits changent: avant qu'un enfant ne se réjouisse d'un cheval en bois, et maintenant donne une tablette. Mais LEGO a toujours été considéré comme un excellent cadeau universel pour les enfants (et pour les adultes, quel péché).

Cependant, ce constructeur coloré peut être non seulement un excellent divertissement pour tous les âges, mais aussi un composant extrêmement utile du réfrigérateur à dilution, qui est utilisé dans le développement d'ordinateurs quantiques. Des scientifiques de l'Université de Lancaster (Royaume-Uni) ont décidé de mener une expérience sur la congélation de blocs LEGO à une température proche du zéro absolu (−273,15 ° C). Cette expérience apparemment étrange a montré des résultats très intéressants, dont nous apprendrons les détails dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

Une brève histoire de LEGO

Étant donné que le personnage principal de cette expérience est LEGO, il serait impoli de ne pas dire quelques faits sur ce constructeur.

Presque toutes les pièces LEGO sont en plastique, en particulier en plastique ABS (acrylonitrile butadiène styrène ou (C ₈ H ₈ ) _x · (C ₄ H ₆ ) _y · (C ₃ H ₃ N) _z ). Cependant, dans les premières années de son existence, de 1932 à 1949, LEGO a produit des jouets en bois.


Ole Kirk Christiansen, 1957

L'entreprise a été fondée au Danemark par Ola Kirk Christiansen. L'homme qui a changé la façon dont les adultes pensent aux jouets pour enfants est né en 1891 dans une famille d'agriculteurs plutôt pauvre. Dès l'âge de quatorze ans, Ole, sous la direction de son frère, a commencé à apprendre les compétences d'un charpentier, qu'il a ensuite engagé, mais déjà en dehors du Danemark (de 1911 à 1916, il a travaillé en Allemagne et en Norvège).

De retour dans son pays natal en 1916, Ole, ayant dépensé toutes ses économies, a acheté une menuiserie et un entrepôt de bois, où il vivait et en même temps faisait du commerce de bois et de produits du bois.

Une petite entreprise, mais rentable, permet en 1930 de créer sa propre entreprise de production d'articles ménagers, dont une grande partie sont des escaliers et des planches à repasser. Cependant, l'économie des années 30 n'était pas la plus stable, de nombreuses entreprises ont été fermées ou ont subi d'énormes pertes. La société de Christiansen n'a pas fait exception.

Et ici, il vaut la peine de faire une petite digression. Ole en 1916 a épousé une fille de Norvège nommée Kirstina Serensen, qui lui a donné quatre fils. Malheureusement, Kirstina est décédée en 1932.


Un petit film d'animation, The LEGO Story, tourné en l'honneur du 80e anniversaire de l'entreprise (2012).

Revenons aux affaires. En raison de la crise, il fallait quelque chose de nouveau, de populaire et de rentable. Ole et son fils Gottfried ont commencé à fabriquer des jouets en bois. Il y avait donc une entreprise LEGO, dont le nom en latin se traduit par «collecter». C'est drôle que dans l'entreprise, désormais célèbre dans le monde entier, dans les premières années, 7 personnes seulement travaillaient.

Depuis 1947, LEGO a commencé à produire non pas des cubes en bois, mais en plastique, sur lesquels des pièces convexes spéciales sont apparues, qui servent à relier les cubes les uns aux autres.


Un des premiers sets qui est apparu avec mon frère (hein, nostalgie).

Ole Christiansen a littéralement révolutionné le monde des jouets. Le principal "ingrédient" de LEGO est l'imagination, la réflexion et la créativité. Les enfants, jouant avec le designer, peuvent créer des mondes entiers remplis de personnages incroyables, de bâtiments incroyables et d'histoires déchirantes. Les enfants ne sont pas stupides, ils voient le monde différemment, ils l'explorent, le démontent en blocs composants, comme un constructeur. Ole Christiansen en était sûr, et en tant qu'oncle de deux merveilleuses filles qui adorent les créateurs, je peux dire en toute confiance qu'il avait raison.

Mais pas des jouets simples, pour ainsi dire. Dans notre étude d'aujourd'hui, les blocs LEGO ont survécu à un froid incroyable. Pourquoi les scientifiques ont-ils décidé de geler le constructeur? La réponse est assez banale - pour voir ce qui se passe. Leur curiosité était plus que justifiée.

Au cours des expériences, les blocs LEGO (ci-après dénommés l'échantillon) ont été exposés à des températures allant de 70 mK (millikelvins, 1 mK = 10 ^-3 K) à 1,8 K.En conséquence, la loi de puissance de la conductivité thermique de l'échantillon a été dérivée:

κ = (8,7 ± 0,3) x 10 ^-5 T ^{1,75 ± 0,2} WK ^-1 m ^-1

Il s'est avéré que les blocs LEGO peuvent être d'excellents isolants thermiques, en raison de leur structure inhabituelle. Et des matériaux à faible conductivité thermique sont nécessaires pour l'isolation thermique des composants cryogéniques. À l'heure actuelle, ces matériaux sont largement utilisés dans la création d'ordinateurs quantiques qui dépendent de basses températures isolées pour un fonctionnement normal. Maintenant, il existe déjà un polymère Vespel , qui présente une bonne isolation thermique, mais il est assez cher à fabriquer, ce qui ne peut pas être dit des blocs LEGO en plastique ABS répandu.

Résultats de recherche

Image n ° 1: configuration expérimentale.

Dans les expériences, 4 blocs ont été utilisés connectés ensemble. L'échantillon a été placé dans un réfrigérateur à dissolution * créé à l'Université de Lancaster * .

Le réfrigérateur à dissolution * est une unité cryogénique qui utilise deux isotopes d'hélium: ³ He et ⁴ He. Lorsque la température atteint 700 mK et moins, le mélange subit une séparation de phase spontanée, en formant une nouvelle: riche en ³ He et riche en ⁴ He.

La connexion entre les blocs a été réalisée en utilisant la géométrie des blocs elle-même, c'est-à-dire sans utiliser de matériaux adhésifs. La hauteur totale de l'échantillon était de 40,2 mm, la surface était de 502 mm ² et le poids était de 9,28 g. En haut et en bas de l'échantillon se trouvaient des plaques de cuivre (contacts), fixées à l'aide de graisse sous vide pour améliorer le contact thermique.

La plaque de cuivre inférieure était connectée thermiquement à la chambre de mélange du réfrigérateur. Un réchauffeur de manganine câblé de 3 Ω (un alliage de cuivre, de manganèse et de nickel) et un thermomètre à résistance ont été connectés à la platine supérieure. Avant les expériences, la température de la plaque inférieure a été maintenue à T _bas ≈ 4,5 mK pendant 9 jours. Pour mesurer la conductivité thermique, un niveau constant de chaleur Q a été appliqué à la plaque supérieure. Après stabilisation de la température de la plaque supérieure (T _high ), des mesures directes ont été effectuées. Une fuite de chaleur a été détectée dans le matériau de l'échantillon lui-même, qui est resté au même niveau tout au long de l'expérience: Q ₀ = 3,2 x 10 ^-10 W (3,4 x 10 ^-11 Wg ^-1 ).

Comme le disent les chercheurs eux-mêmes, pour la conductivité thermique des isolants à des températures bien inférieures à la température de Debye, l'expression κ = λT ⁿ peut être utilisée, où κ est le coefficient de conductivité thermique.

Les constantes λ et n peuvent être déterminées en ajustant les données expérimentales à l'expression:

λ = Q (n +1) Δx / a (T _haut ^{n + 1} - T _bas ^{n + 1} )

où T _haut et T _bas - température haute et basse sur toute la structure de l'échantillon.


Image n ° 2

Le graphique ci-dessus montre les résultats Q mesurés par rapport à T _élevé pour une structure ABS modulaire.

La conductivité thermique dans les matières plastiques à très basse température démontre les dépendances de T ⁿ à n dans la gamme de 1,7 à 2,46. Il a également été constaté que la conductivité thermique de la structure modulaire ABS anisotrope dépendra fortement de l'axe de mesure.

De plus, il est devenu clair que la structure LEGO ABS a une conductivité thermique beaucoup plus faible que l'un des meilleurs isolants thermiques volumétriques du marché ( Macor * ). Un tel degré élevé d'isolation thermique est très probablement fourni par la résistance de contact au niveau des joints des blocs LEGO.

Macor * est une vitrocéramique avec un haut degré d'isolation thermique, maintenant la stabilité à 1000 ° C. Macor se compose de: 46% de silice (SiO ₂ ), 17% d'oxyde de magnésium (MgO), 16% d'alumine (Al ₂ O ₃ ), 10% d'oxyde de potassium (K ₂ O), 7% de trioxyde de bore (B ₂ O ₃ ), 4% de fluor (F).

Lorsqu'une puissance de ≈400 nW est appliquée à la plaque supérieure, la température de la plaque supérieure augmente de 1 K, mais la température de la plaque inférieure reste inchangée. A titre de comparaison: une structure Vespel-SP22 avec les mêmes dimensions que la structure ABS LEGO doit avoir une épaisseur de paroi inférieure à 300 microns pour atteindre le même degré d'isolation.

Dans le même temps, le bloc «3001» (numéro d'article du bloc) LEGO a une épaisseur de paroi d'environ 1,2 mm. Faire un bloc avec de tels murs est beaucoup plus facile. Mais 1,2 mm est encore une épaisseur assez faible, cependant, l'unité LEGO est capable de supporter une charge de ≈ 300 kg dans une presse hydraulique. Un tel test de résistance démontre que la structure du bloc, malgré la présence de vides à l'intérieur, présente un degré de stabilité mécanique assez élevé. Par conséquent, d'un point de vue mécanique, l'unité LEGO peut résister à toute expérience cryogénique raisonnable.

La compression thermique de la structure ABS lors du refroidissement de la température ambiante à 4,2 K était de 1,5% (Vespel 0,6%), ce qui est également un indicateur important.


Dans cette vidéo, les auteurs de l'étude parlent de leur travail et démontrent les résultats de l'ego.

Pour une connaissance plus détaillée des nuances de l'étude, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques .

Épilogue

Dans cette expérience, il a été possible de découvrir que le bloc concepteur LEGO habituel a des propriétés incroyables, d'autant plus qu'il s'agit d'un plastique ABS ordinaire, et non d'un super-matériau.

Dans une expérience avec des blocs LEGO couvrant une superficie de 502 mm ² , seulement 400 nW de puissance étaient nécessaires pour atteindre une plage de température de 100 mK à 1 K.En outre, les changements de température de la plaque supérieure n'ont pas affecté la température de la plaque inférieure, ce qui indique un degré élevé d'isolation thermique.



D'un point de vue matériel, l'unité LEGO n'est en rien meilleure que des isolateurs comme Vespel ou Macor. Cependant, sa supériorité sur ses concurrents ne réside pas dans le matériau, mais dans la géométrie de la structure: la présence de vides à l'intérieur de chaque bloc et la connexion étroite entre les blocs (schéma ci-dessus).

Les résultats d'expériences avec des blocs LEGO suggèrent que des structures similaires faites de matériaux largement disponibles (plastique ABS) peuvent être recréées sur une imprimante 3D.

En combinant les capacités de l'impression 3D et les connaissances acquises grâce à cette étude, il est possible de créer de nouvelles structures dont les propriétés d'isolation, mécaniques et même électriques seront modélisées à l'avance pour des tâches spécifiques. N'oubliez pas le coût de production. Ainsi, une feuille Vespel d'une superficie de 100 cm ² coûte environ la totalité de l'installation d'une imprimante 3D, ce qui est nécessaire pour imprimer des structures ABS. Un fait important d'un point de vue environnemental est le fait que l'ABS peut être réutilisé, contrairement au même Vespel.

Parfois, les choses les plus simples à première vue ont des propriétés cachées incroyables qui n'ont pas été initialement définies par les créateurs. Pour les trouver, vous devez regarder ces objets sous un nouvel angle et vous poser des questions que d'autres jugeraient stupides, comme «que se passe-t-il si LEGO est poussé dans une installation cryogénique et gelé à zéro absolu?».

Certaines découvertes ont vu le jour à travers des calculs longs, minutieux et extrêmement complexes, des recherches théoriques et une réflexion sur chaque résultat probable. D'autres sont devenus le fruit du hasard ou d'une simple curiosité scientifique, que tout scientifique devrait posséder. Car si un scientifique ne veut pas en savoir plus sur le monde qui nous entoure, il peut être coincé dans les découvertes qui ont été faites avant lui.

Off-top du Nouvel An

2019 arrivera inévitablement à sa conclusion logique. Au cours de cette année, de nombreux événements ont eu lieu dans le monde, à la fois inspirants et tristes. Mais, quelles que soient les difficultés rencontrées par l’humanité, la communauté scientifique continue de travailler pour son bien. Dans la science moderne, il ne devrait pas y avoir de pays, de drapeaux, de couleurs et de langues, dans la science moderne il devrait y avoir un zèle général pour rendre le monde entier meilleur, sans le diviser par des frontières géopolitiques ou ethniques.

Nous sommes loin de l'utopie, loin d'un avenir futuriste brillant, que les écrivains de science-fiction décrivent avec passion. Mais cela ne signifie pas que nous devons rester immobiles ou, pire, reculer.

Nous devons nous rappeler qu'il n'est pas nécessaire d'être un scientifique pour aimer et s'intéresser à la science. Les enfants en sont un excellent exemple. Mes nièces n'ont pas de doctorat, elles ne sont pas diplômées de l'université et n'ont pas rédigé de mémoire, elles sont encore loin de l'école, mais à leurs yeux je vois une ardente envie de comprendre cet immense monde qui les entoure.

J'entends et vois souvent les mots «restez des enfants». Ils sont parlés dans le contexte de l'âme, des émotions, des visions du monde, etc. Quant à moi, cette phrase est excellente pour le monde de la science. Restez des enfants dont la curiosité et le désir de comprendre n'ont pas de frontières, car il n'y a pas de frontières pour la science.

Bonne année, chers amis, et qu'elle soit pleine de nouvelles questions et réponses, de chutes et de hauts, de querelles et de rapprochements, de séparations et de réunions, car telle est notre vie - difficile, parfois imprévisible, mais incroyablement intéressante. Bonnes vacances! :)

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