Quel est l’objet le plus fin du monde ?

Cela fait plusieurs fois que j’entends attribuer le titre d’objet le plus fin du monde dans des domaines assez différents de la physique. Alors j’ai décidé de me pencher sur la question.

Pour commencer, qu’est-ce que j’entends par « un objet fin » ? Je vais supposer que c’est un corps dont l’épaisseur est beaucoup plus faible que sa largeur et sa longueur.

Pour un objet dont on connait l’épaisseur et les dimensions (largeur ou longueur), on peut simplement quantifier sa finesse en faisant le rapport des deux.

Des objets de la vie courante

Prenons un exemple : une lame de rasoir a une taille de quelques centimètres, mais son épaisseur est de quelques centaines de microns. Si on divise « quelques centimètres » par « quelques centaines de microns« , on obtient environ 100. La lame de rasoir est 100 fois plus large qu’elle n’est épaisse. Alors est-ce qu’on peut faire mieux que 100 ?

Considérons une feuille de papier : son épaisseur est d’environ 100 microns. Quant à sa taille, elle peut atteindre 1 mètre (par exemple en format A0). Si je fais le rapport des deux, j’obtiens 10 000 ! Beaucoup mieux que la lame de rasoir !

Le cas du fameux graphène

Passons à des choses plus exotiques : le graphène. Vous savez, cet étrange matériau constitué d’atomes de carbone qui sont arrangés de manière hexagonale pour former une feuille. Le graphène a valu a ses découvreurs le prix Nobel de physique en 2010, et peut être obtenu par un procédé en apparence assez simple : l’exfoliation. On part d’un morceau de graphite (comme une mine de crayon) qui est lui aussi constitué d’atomes de carbone, on colle du scotch dessus et on tire ! Si on a de la chance, on peut détacher une feuille de graphène n’ayant qu’un atome d’épaisseur. Sinon on peut répéter l’opération jusqu’à obtenir le résultat désiré.

Alors vu qu’il n’a qu’un atome d’épaisseur, le graphène est-il l’objet le plus fin du monde ? Son épaisseur est certes celle d’un atome, c’est-à-dire quelques angströms, mais quelle est sa taille ? D’après ce que j’ai pu trouver (*), la taille d’un « pétale » de graphite n’excède généralement pas quelques microns (voir ci-contre). Si on fait le rapport des deux, on trouve 10 000. Pas mal, mais pas mieux que la feuille de papier A0 !

Des couches très très minces

Parmi les matériaux extraordinairement fins, il y a les couches qu’on dépose par exemple sur du verre pour en faire des anti-reflets, pour leur donner une propriété d’isolation thermique, ou plus récemment pour faire certains types de panneaux photovoltaïques. Le composé déposé est généralement un métal (comme de l’argent), ou un oxyde (de titane, de silicium, etc.) Ces couches peuvent avoir une épaisseur d’à peine 10 nanomètres, et on sait les déposer industriellement sur des surfaces de verre de plusieurs mètres ! Si on fait le ratio, on obtient un bon facteur 100 millions !

Oui mais c’est de la triche ! En effet ces couches sont déposées sur un substrat qui est le verre. On ne peut donc pas les considérer comme des objets isolés, et donc je les exclus de mon concours de l’objet le plus fin du monde !

And the winner is … Saturne !

A ma grande surprise, ce que j’ai trouvé de plus fin au monde, ce sont les anneaux de Saturne ! En effet ceux-ci ont un diamètre d’environ 200 000 kilomètres, pour une épaisseur de seulement une dizaine de mètres. Aussi surprenant que cela paraisse, il est possible de visualiser avec une lunette astronomique de débutant cette structure située à plus d’1 milliards de kilomètres…et qui ne fait que 10 mètres d’épaisseur ! (pour les spécialistes, l’épaisseur des anneaux peut être localement beaucoup plus importante).

Bref, faisons notre calcul, si on divise le diamètre des anneaux par leur épaisseur, on obtient 10 millions. Les anneaux de Saturne sont 1000 fois plus fins qu’un pétale de graphène et qu’une feuille A0. Qui l’eût-cru ?

(*) D. Hug, Fabrication of single and bilayer graphene flakes,

Billet inspiré par une remarque d’André Brahic dans cette sympathique conférence (seulement un petit quart d’heure !)

25 réflexions sur “Quel est l’objet le plus fin du monde ?

  1. Mouaiiiis !
    Les bobines de papier font des centaines de m de long et les laises plusieurs mètres.
    Les anneaux de saturne j’aurais plutôt compté leur « largeur » plutôt que le diamètre non ? (sinon il faut prendre la longueur d’une bobine de papier 🙂

    PS. Quid des voiles solaires ?

  2. Bon et pour jouer à pinailleur master, le monde, c’est considéré comme la Terre non? Du coup Saturne est disqualifié… Et à l’inverse, une galaxie spirale n’est-elle pas incroyablement fine… tant elle est large?

  3. L’or est extrêmement ductile (http://www.uel.education.fr/consultation/reference/chimie/elementsd1/apprendre/gcb.eld.fa.101.a2/content/access.htm) 1g d’or peut être étiré sur 2km. Or l’or a une densité de 19, donc 1g d’or correspond à un volume de 1/19e cm^3, soit 0.05 cm^3. En supposant que le fil conserve une forme cylindrique, cela revient à un rayon de 3×10^-6 m et donc selon votre calcul à une finesse de 2000/(3×10^-6) = 71 millions et des brouettes

  4. Oui oui, vous avez raison de pinailler, c’était précisément l’objet du billet que de se faire contester !

    @Phil : Ok je te compte 100 mètres pour le papier, ça fait un rapport 1 million 🙂

    @Taupo : je suis bien conscient que parler « d’objet » et « du monde » pour Saturne est un peu tiré par les cheveux. Ceci dit pour la galaxie spirale, je ne suis pas sûr que ça batte les anneaux de Saturne. La voie lactée fait 100 000 a.l. de diamètre, et de l’ordre de 1000 a.l. d’épaisseur.

    @Bebertii : je n’ai considéré ici que les objets planaires et pas filaires. Mais on peut ouvrir cette catégorie du concours ! Mais pour autant que je sache, cet exemple de l’or n’est à ce stade que « théorique »!

  5. @ScienceEtonnante
    Je ne me suis jamais posé la question, mais il me semble que ce n’est pas un cas théorique. Si l’on parle d’objet planaire, en reprenant la source que je site, il est proposé une feuille de 1.5m² pour 10^-7 m d’épaisseur. Après tout est question de la forme de la feuille. si elle est circulaire, cela fait une finesse de 7 millions. Je ne sais en revanche pas si cette feuille conserve son intégrité comme une feuille de papier alu ou si elle est destinée à être une substrat, ce qui selon vos règles l’éliminerait. Mais a priori ductilité signifie que c’est réalisable par laminage.
    C’était juste l’occasion de faire un calcul à la con, hein 🙂

  6. Dans « Wonders of the solar system » de la BBC, Brian Cox montre sur Terre ce qui ressemble le plus aux anneaux de Saturne : le pack. La banquise fractionnée, quoi. Les anneaux de Saturne sont constitués de 95 à 99% de glace d’eau ! Et comme l’épaisseur des anneaux n’est effectivement que de quelques mètres, ça ressemble à une banquise sans océan. Wow !

    Pour moi, les anneaux ne sont pas « un objet », mais une flopée de milliards de glaçons bien disposés. Mais si ça compte comme « un objet », alors j’ai mieux à proposer comme objet le plus fin du monde : un film d’hélium superfluide. Et en plus c’est sur notre planète, et (presque) nulle part ailleurs : http://drgoulu.com/2007/05/09/plus-froid-que-lespace/

  7. L’ADN (déroulé) d’une cellule humaine, d’une longueur de l’ordre du mètre pour une largeur de l’ordre du nanomètre.

    On a un rapport de 10^9 \o/

    (Bon après je n’ai pas trouvé de donné très précises (pas cherché longtemps non plus), sur les grandeurs véritables).

  8. dans le cas des anneaux de Saturne, ne faudrait-il pas considérer que la planète joue le rôle d’un substrat comme dans le cas de du film « attaché » à une feuille de verre, c’est à dire un champ de forces qui régit la cohésion et l’organisation de la matière dans un contexte donné? Tout ceci serait donc très relatif, en fonction du contexte et des forces en présence…

  9. Ce qui me parait bizarre c’est le titre, le « fin » ne serait-il pas une attraction du « thin » anglais, de plus en plus fréquente il est vrai?
    Parce que pour les montres on vendait des « ultraplates », pour les dames on vante plutôt leur « minceur » et d’ailleurs Larousse donne pour la définition de « fin »: petit, étroit, effilé, mince.
    Donc petit c’est dans toutes les dimensions, étroit c’est faible largeur, effilé faibles largeur et épaisseur, et mince faible épaisseur, ce qui est précisément la définition de « thin ».
    Par ailleurs les physiciens n’utilisent que le terme « mince » pour les « thin film » par exemple ou les matériaux en couche mince.

    D’autre par le problème est peut-être mal posé, parce que si le graphène est continu, les anneaux de Saturne ne le sont pas, ce n’est qu’à grande distance qu’ils ressemblent à « un » objet (pourquoi pas le système solaire d’ailleurs?). À ce compte-là, l’objet le plus mince au monde c’est deux atomes séparés par la distance que vous voulez: épaisseur minimale divisée par une longueur quelconque.
    Je reposerais donc le problème « quel est le solide continu le plus mince au monde »?

    • Je pensais qu’une fibre optique n’était pas en un seul morceau ? Il y a pas des sortes de relais au milieu pour redonner de la puissance au signal ? Je ne crois pas qu’on la fabrique en une seule pièce en tout cas !

      • En fibre monomode, on fait 100 km en un seul morceau. Bon, la finesse tombe à 10^-9.

        Mais pour les anneaux de Saturne c’est pareil : ils ne sont pas fabriqués en une seule pièce !

  10. Pingback: L’expérience de la tache d’huile de Franklin « Science étonnante

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