Une énigme scientifique résolue

Les liquides ioniques — des sels organiques liquides à température ambiante — suscitent un intérêt croissant pour leurs propriétés remarquables : non inflammables, non volatiles, stables thermiquement et chimiquement, de grande conductivité ionique, ils trouvent des applications nombreuses en volume (catalyse, électrochimie) et aux interfaces (lubrification, électro-mouillage, stockage d’énergie, batteries). Mais sur quelle distance les charges électriques s’influencent-elles mutuellement ? Leur portée conditionne toutes les applications. Depuis une douzaine d’années, des expériences rapportaient des longueurs d’écrantage anormalement grandes dépassant largement les prédictions théoriques et contredisant les simulations numériques, un phénomène qui fut dénommé sous-écrantage. Mais les nouveaux résultats montrent que la clé réside dans les conditions de mesure et l’importance cruciale d’approcher l’équilibre thermodynamique.

Éloge de la lenteur

Les chercheurs ont utilisé deux appareils à forces de surface (Surface Force Apparatus, SFA) complémentaires pour mesurer les profils des interactions en fonction de la distance entre surfaces confinant des liquides ioniques, et ce dans une variété d’approches quasi-statiques et dynamiques et dans des géométries différentes. Ils ont réussi la prouesse technique de réduire la vitesse de déplacement des murs de confinement jusqu’à 9 picomètres par seconde (à cette vitesse, il faudrait 4 millénaires pour parcourir un mètre). Les résultats révèlent qu’une longueur d’écrantage apparente émerge, mais que sa valeur dépend fortement du temps laissé au liquide ionique pour s’organiser. Aux vitesses rapides (une seconde pour parcourir un nanomètre), les interactions semblent s’étendre loin, jusqu’à plus de dix nanomètres. Mais en ralentissant de deux ordres de grandeur (100 secondes par nanomètre), cette portée se réduit et converge vers 0,5 nanomètre — la taille typique d’un ion.

Une dynamique de relaxation excessivement lente

La relaxation vers l’équilibre s’étend sur deux ordres de grandeur en temps, analogue à un comportement de vieillissement, rencontré dans les verres, les films polymères minces, les peintures historiques du patrimoine. Dans ces systèmes aux paysages énergétiques complexes, le matériau explore lentement de multiples configurations avant qu’un équilibre ne soit atteint. Cette lenteur intrinsèque explique pourquoi des mesures rapides, ne laissant pas à l’électrolyte concentré le temps de trouver sa configuration stable, donnaient des résultats trompeurs.

Implications pratiques

Ces résultats clarifient le paramètre fondamental qu’est la longueur d’écrantage au cœur de l’optimisation des batteries et supercondensateurs à base de liquides ioniques. Ils impactent également la lubrification industrielle et la conception de dispositifs nanofluidiques. La méthodologie rigoureuse établie ouvre la voie à l’étude d’autres électrolytes concentrés et des systèmes à complexité temporelle multi-échelle et excessivement lente.