Image : AI et Photoshop.
Introduction
L’argon, gaz noble incolore, inodore et insipide, porte le symbole Ar et le numéro atomique 18. Troisième composant de l’atmosphère terrestre après l’azote et l’oxygène, il représente près de 1 % de l’air que nous respirons — une présence considérable, et pourtant restée invisible aux chimistes pendant des siècles.
Cette série présente les éléments du Tableau périodique des éléments chimiques. Ce répertoire, conçu vers 1869 par Dmitri Ivanovich Mendeleïev, rassemble tous les éléments chimiques, qui composent l’univers, tel que nous le connaissons aujourd’hui. L’ingéniosité de ce Tableau tient dans la méthode de répartition des éléments, selon leur numéro atomique, mais aussi selon leurs caractéristiques physiques et chimiques. Ce classement astucieux permet alors d’identifier des éléments existants qui restaient à découvrir, ou même de prédire les propriétés d’éléments chimiques inconnus à l’époque. Sa dernière mise à jour date de 2016, et compte 118 éléments.
Pratiquement inerte, l’argon ne réagit avec presque rien — cette propriété rare a donc camouflé son existence, malgré son abondance. Cette même inertie, une fois comprise, en fait aujourd’hui un allié précieux : elle protège les soudures industrielles, prolonge la vie des ampoules, isole nos fenêtres du froid, et sert même à traquer, au fond de laboratoires souterrains, l’une des plus grandes énigmes de la physique moderne — la matière noire.
L’argon au passé
— La découverte de l’argon : un gaz bien caché
En 1892, le physicien britannique Lord Rayleigh mesure la densité de l’azote et remarque un détail intrigant. L’azote extrait de l’air est légèrement plus lourd que l’azote obtenu à partir de composés chimiques. L’écart est infime, mais suffisamment constant pour éveiller sa curiosité. Convaincu qu’il ne s’agit pas d’une simple erreur de mesure, Rayleigh publie ses résultats et invite la communauté scientifique à en trouver l’origine.
En 1894, il fait équipe avec le chimiste écossais Sir William Ramsay. Ensemble, ils éliminent progressivement de l’air tous les gaz connus : la vapeur d’eau, le dioxyde de carbone, l’oxygène et l’azote. À la fin de leurs expériences, un faible volume de gaz demeure. Incolore, inodore et pratiquement impossible à faire réagir, il ne correspond à aucun élément connu.
Les deux scientifiques viennent donc de découvrir un nouvel élément chimique. Ils le baptisent argon, à partir du mot grec argos, qui signifie « paresseux » ou « inactif », en référence à son inertie, et l’annoncent conjointement le 31 janvier 1895 à la Royal Society
Leur découverte dépasse l’identification d’un gaz. Elle révèle l’existence d’une nouvelle famille d’éléments, les gaz nobles — quelques semaines plus tard, en 1895, Ramsay isole l’hélium sur Terre, un élément jusque-là repéré seulement dans le Soleil. Suivront bientôt le néon, le krypton, le xénon, puis le radon.
Leur collaboration leur vaudra une reconnaissance double, et peu commune : en 1904, Rayleigh reçoit le prix Nobel de physique, et Ramsay, celui de chimie — chacun récompensé, la même année, pour cette même découverte.
— L’argon dans l’ampoule à incandescence
À la fin du XIXe siècle, l’ampoule électrique s’invite dans les maisons et les rues. En 1879, l’Américain Thomas Edison et le Britannique Joseph Swan, chacun de leur côté, fabriquent une ampoule à filament de carbone (fait de fibres végétales carbonisées), mais celui-ci s’use rapidement et produit une lumière faible. Au tournant du XXe siècle, le tungstène — un métal au point de fusion beaucoup plus élevé — s’impose comme nouveau filament, offrant une lumière plus vive et plus durable.
Afin d’empêcher le filament de se consumer, les ampoules sont presque entièrement vidées de leur air. Cette solution fonctionne, mais elle présente une limite non négligeable : le tungstène s’évapore progressivement sous l’effet de la chaleur. Les atomes de métal se déposent sur la paroi de verre, qui noircit avec le temps, tandis que le filament s’amincit jusqu’à se rompre.
En 1913, le chimiste et physicien américain Irving Langmuir propose une approche différente. Plutôt que de créer un vide, il remplit l’ampoule d’argon, qui ne réagit pratiquement pas avec le tungstène ; cette méthode ralentit considérablement l’usure du filament. Les ampoules génèrent davantage de lumière, durent plus longtemps et deviennent plus efficaces. Cette amélioration contribue à accélérer l’adoption de l’éclairage électrique partout, dans les foyers, les commerces, les usines et les rues.
Aujourd’hui, les ampoules à DEL (grâce, entre autres, au gallium) ont largement remplacé les lampes à incandescence, mais pendant plus d’un siècle, des milliards d’ampoules ont contenu de l’argon.
Boîte d’ampoules DEL à filament de style Edison.
L’argon au présent
— L’argon, un protecteur discret
Lorsque deux pièces de métal sont soudées, la chaleur atteint plusieurs milliers de degrés. À une telle température, le métal en fusion réagit fortement avec l’oxygène et l’azote présents dans l’air, et ces réactions peuvent fragiliser la soudure, provoquer des défauts ou réduire sa résistance.
Pour éviter ce problème, les soudeurs ont recours à un gaz protecteur. L’argon est particulièrement bien adapté à cette tâche. Comme il est pratiquement inerte, il forme autour de la soudure une enveloppe qui chasse l’air ambiant sans réagir avec le métal en fusion.
Concrètement, un arc électrique s’établit entre une électrode de tungstène et les pièces à assembler, tandis que l’argon jaillit d’une buse entourant cette électrode. Ce procédé, appelé soudage TIG, produit des cordons d’une grande précision. Une variante, le soudage MIG-MAG, utilise plutôt un fil métallique consommable qui fond en continu pour servir à la fois de conducteur et de métal d’apport — toujours protégé par le même bouclier de gaz.
Grâce à cette protection, les soudures sont plus propres, plus solides et plus durables. L’argon est notamment employé pour assembler l’aluminium, l’acier inoxydable, le titane et plusieurs autres alliages employés dans les secteurs de la construction, de l’automobile, de l’aérospatiale et de la fabrication d’équipements industriels.
Le même principe est utilisé dans d’autres procédés métallurgiques. Chaque fois qu’un métal chauffé doit être protégé de l’air afin de préserver ses propriétés, l’argon est souvent le gaz de choix. L’argon participe peu aux réactions chimiques et pourtant, c’est précisément cette discrétion qui en fait un acteur indispensable de l’industrie moderne.
Bouteille d’argon
— L’argon réduit nos factures énergétiques
L’argon est aussi présent dans des millions de maisons, emprisonné entre les vitres des fenêtres à double ou à triple vitrage.
À première vue, il pourrait sembler étrange de remplacer l’air par un autre gaz. Pourtant, l’argon possède une propriété en l’occurrence plutôt utile : sa conductivité thermique est inférieure à celle de l’air. Enfermé entre deux vitres, il ralentit les échanges thermiques entre l’intérieur et l’extérieur d’un bâtiment. En hiver, la couche d’argon aide à conserver la chaleur à l’intérieur. En été, elle limite davantage l’entrée de la chaleur provenant de l’extérieur. Les fenêtres offrent ainsi plus de confort aux habitants tout en réduisant les besoins (et les coûts) en chauffage et en climatisation.
L’inertie du gaz présente un autre avantage : incolore, inodore et non toxique, il ne se dégrade pas et ne réagit avec aucun des matériaux de la fenêtre. Sa performance dans le temps dépend toutefois de l’étanchéité des joints qui scellent le vitrage — un gaz qui s’échappe lentement n’isole plus aussi bien, d’où l’importance de vitrages certifiés.
Aujourd’hui, les fenêtres remplies d’argon sont devenues la norme dans de nombreuses constructions résidentielles et commerciales, une pratique reconnue par la certification ENERGY STAR au Canada. Hydro-Québec note d’ailleurs que ces gaz inertes permettent une meilleure isolation que l’air utilisé dans les produits standards.
Dans la pharmacie
La coagulation par plasma d’argon
Lors d’une endoscopie ou d’une coloscopie, les médecins peuvent arrêter un saignement ou traiter certaines lésions sans avoir recours à la chirurgie. Pour ce faire, ils utilisent parfois une technique appelée coagulation par plasma d’argon.
Un mince jet d’argon est acheminé jusqu’à l’extrémité de l’endoscope. Une décharge électrique transforme alors ce gaz en plasma, un état de la matière capable de conduire le courant électrique. La chaleur produite coagule les tissus de façon précise, sans que l’instrument n’entre directement en contact avec eux.
Cette technique est notamment utilisée pour traiter les hémorragies digestives, certaines lésions précancéreuses ainsi que diverses complications observées après une chirurgie bariatrique.
L’avenir de l’argon
— La datation potassium-argon : une horloge plus vieille que le carbone 14
La datation au carbone 14 permet de remonter jusqu’à environ 50 000 ans dans le passé. Pour les géologues et les paléoanthropologues qui cherchent à dater une éruption volcanique vieille de plusieurs millions d’années ou les couches géologiques entourant les fossiles de nos lointains ancêtres, cette horloge s’arrête trop tôt. L’argon offre une solution.
Dans la nature, une petite proportion du potassium existe sous la forme d’un isotope radioactif, le potassium 40. Au fil du temps, celui-ci se désintègre très lentement et une partie se transforme en argon 40. Le temps qu’il faut pour que la moitié des atomes se désintègrent, appelé « demi-vie », est d’environ 1,25 milliard d’années.
Le principe de la datation potassium-argon repose sur une particularité bien pratique de notre élément. L’argon étant un gaz, il s’échappe facilement de la roche lorsqu’elle est en fusion. Lors d’une éruption volcanique, la lave en contient donc très peu. Puis, lorsqu’elle refroidit et se solidifie, l’horloge se met en marche : le potassium 40 emprisonné dans les minéraux commence à produire de l’argon 40, qui s’accumule progressivement dans la roche.
En mesurant les quantités de potassium 40 et d’argon 40 présentes dans un échantillon, les scientifiques peuvent calculer depuis combien de temps la roche s’est solidifiée. La méthode potassium-argon permet de dater des formations volcaniques vieilles de 20 000 ans jusqu’à plusieurs milliards d’années.
Cette technique s’est avérée utile pour retracer l’histoire de l’évolution humaine. Les fossiles eux-mêmes ne peuvent généralement pas être datés au potassium-argon, mais les couches de cendres volcaniques qui les entourent, oui. En déterminant l’âge des strates situées au-dessus et au-dessous d’un fossile, les chercheurs sont à même d’établir la période à laquelle vivait l’individu. La méthode potassium-argon a notamment contribué à dater certains des plus importants sites paléoanthropologiques d’Afrique de l’Est, comme les Gorges d’Olduvaï et de Laetoli. En 2013, l’astromobile Curiosity a réalisé la première datation radiométrique extraterrestre sur une roche martienne estimée entre 3,86 à 4,56 milliards d’années, avec la même technique.
Plus récemment, une méthode dérivée, la datation argon-argon (⁴⁰Ar/³⁹Ar), a pu améliorer la précision des mesures. Elle permet d’analyser de très petits échantillons et de mieux repérer certaines perturbations subies par les roches au cours de leur histoire.
Un destin étonnant, révéler l’Histoire, pour un élément qui avait échappé aux chimistes pendant des siècles parce qu’il se cachait, en quelque sorte, par son inactivité.
Le site archéologique Laetoli, situé en Tanzanie, qui abrite les plus anciennes empreintes de pas d’hominidés connues au monde.
— L’argon liquide à la chasse à la matière noire
Nous pouvons observer les étoiles, les galaxies et les nuages de gaz qui composent l’Univers. Cependant, toute cette matière visible n’en montrerait qu’une petite fraction. Depuis près d’un siècle, les astronomes constatent que les galaxies se comportent comme si elles contenaient beaucoup plus de matière que ce que nos télescopes peuvent détecter. Cette masse invisible, baptisée « matière noire », représenterait environ 85 % de toute la matière de l’Univers. Nous ignorons toujours de quoi elle est constituée.
Pour tenter de la détecter, des chercheurs installent d’immenses réservoirs d’argon liquide sous la terre. L’idée repose sur une hypothèse : si certaines particules de matière noire traversent continuellement notre planète, l’une d’elles pourrait entrer en collision avec le noyau d’un atome d’argon. L’impact serait minuscule, mais pas nécessairement invisible. Lorsqu’un atome d’argon est frappé par une particule suffisamment énergétique, il peut produire de la lumière — un phénomène appelé scintillation — et libérer des électrons.
Pourquoi conduire ces expériences sous une montagne? Parce que les scientifiques cherchent une aiguille dans une botte de foin. La collision entre une particule de matière noire et un atome d’argon serait si rare et si discrète qu’elle pourrait facilement être masquée par d’autres particules provenant de l’espace. Les 1400 mètres de roche qui recouvrent le laboratoire agissent comme un filtre naturel, réduisant d’environ un million de fois le bruit causé par les rayons cosmiques. Les chercheurs peuvent alors concentrer leurs efforts sur les quelques signaux qui subsistent, tout en éliminant les faibles émissions radioactives émanant des matériaux du détecteur et de certains isotopes naturellement présents dans l’argon.
L’une des installations qui exploitent cette technologie est DarkSide, installée dans les Laboratoires nationaux du Gran Sasso, dans les Abruzzes, en Italie. Depuis 2015, une première génération de détecteur y utilise 50 kg d’argon liquide. Son successeur, DarkSide-20k, actuellement en construction, visera une masse de 20 tonnes — une progression de plusieurs ordres de grandeur. Pour limiter le bruit de fond, les chercheurs privilégient un argon extrait de sources souterraines, pratiquement exempt d’un isotope radioactif naturellement présent dans l’argon atmosphérique. Un successeur encore plus ambitieux, nommé ARGO, avec une masse visée de 300 tonnes, est déjà à l’étude pour la décennie suivante.
À ce jour, aucune particule de matière noire n’a été détectée de façon concluante. Il est même possible que les particules recherchées par ces expériences n’existent pas ou interagissent avec la matière d’une manière différente de celle envisagée. Chaque nouvelle génération de détecteurs permet toutefois d’explorer un peu plus loin les propriétés potentielles de cette matière invisible.
Découvert à la fin du XIXe siècle parce qu’il se cachait dans l’air sans réagir avec les autres éléments, l’argon pourrait ainsi contribuer, plus d’un siècle plus tard, à révéler une autre matière invisible — celle qui semble former l’essentiel de la matière de notre Univers. Pour en savoir plus sur le sujet, ce balado (en anglais) avec Don Lincoln, physicien senior au Fermilab, laboratoire national américain consacré à la physique des particules et aux accélérateurs de particules.
Massif du Gran Sasso. Image : Italia.it