En 1870, l’étude dans laquelle Lord Rayleigh a calculé la taille des molécules à l’aide d’huile et d’eau

Estimation de la taille d’une molécule unique

Comment Benjamin Franklin et Lord Rayleigh ont calculé la taille des molécules avec seulement de l’huile et de l’eau

• Des décennies avant la découverte des rayons X et l’invention de microscopes puissants, Lord Rayleigh a calculé la taille d’une molécule unique avec seulement de l’huile, de l’eau et un stylo
• Son inspiration venait de Benjamin Franklin

L’expérience de Franklin

• Lors d’une visite à Londres vers 1770, Franklin observa pendant une traversée de l’Atlantique que lorsque de l’huile était jetée à la mer depuis un navire, les vagues se calmaient
• Il mena une expérience en versant une petite quantité d’huile dans l’étang de Clapham Common à Londres
• Il constata que l’huile se répandait rapidement à la surface de l’étang et rendait l’eau lisse
• Franklin répéta l’expérience plusieurs fois et en prit des notes détaillées, mais n’en comprit pas la signification moléculaire

La réinterprétation de Lord Rayleigh

• Lord Rayleigh, universitaire de l’université de Cambridge et physicien renommé, réinterpréta l’expérience de Franklin sous un angle nouveau
• En 1890, Lord Rayleigh déposa sur l’eau une petite quantité d’huile d’olive mesurée avec précision, puis mesura la surface sur laquelle l’huile s’était étalée
• Il estima l’épaisseur du film d’huile en divisant le volume d’huile par la surface
• En supposant que le film d’huile formait une monocouche moléculaire, il calcula l’épaisseur du film comme la longueur d’une molécule

Les résultats de Lord Rayleigh

• Le résultat du calcul de Lord Rayleigh était d’environ 1,63 nanomètre
• La longueur réelle de la molécule de triacylglycérol, principal composant de l’huile d’olive, est d’environ 1,67 nanomètre, ce qui signifie que l’estimation de Lord Rayleigh n’avait qu’une marge d’erreur d’environ 2 %
• Son expérience montre qu’il est possible d’obtenir une intuition scientifique profonde avec des outils simples

Pour aller plus loin

• Le livre de Charles Tanford, "Ben Franklin Stilled the Waves", explore en profondeur l’histoire de cette expérience de la goutte d’huile

Le résumé de GN⁺

• Cet article montre qu’il est possible de réaliser des découvertes scientifiques importantes avec des outils expérimentaux simples
• Les expériences de Benjamin Franklin et de Lord Rayleigh soulignent à quel point la curiosité scientifique et la créativité sont importantes
• Cet article sera utile à celles et ceux qui s’intéressent à l’histoire des sciences et à la méthodologie expérimentale
• Parmi d’autres projets aux objectifs similaires, on peut citer "Science Experiments You Can Do At Home"

[GN⁺]

Commentaires sur Hacker News

• Dans l’enseignement des sciences, on présente souvent les lois et les théories comme des choses à mémoriser simplement

  • L’histoire de la découverte initiale d’une théorie scientifique est plus intéressante et plus inspirante
  • J’ai appris des voies biochimiques, mais sans aucun indice sur la manière dont elles avaient été découvertes
  • Je serais ravi de recevoir des suggestions de publications où d’autres théories scientifiques ont été découvertes pour la première fois

• En 1676, Roemer a estimé la vitesse de la lumière en mesurant l’orbite de Io, un satellite de Jupiter

  • Lorsque la Terre se rapproche de Jupiter, Io apparaît chaque jour un peu plus tôt
  • Lorsque la Terre s’éloigne de Jupiter, Io apparaît chaque jour un peu plus tard
  • Sur un an, cela crée un décalage de 22 minutes
  • En calculant la distance parcourue par la lumière en 22 minutes, il a estimé la vitesse de la lumière à 227 000 km/s
  • La vitesse réelle est d’environ 300 000 km/s

• Rayleigh a estimé l’épaisseur d’un film d’huile en divisant le volume de l’huile par sa surface

  • Il a supposé que l’huile formait une monocouche moléculaire
  • L’épaisseur du film d’huile est égale à la longueur d’une molécule d’huile
  • Rayleigh a été le premier à déterminer la taille d’une molécule unique

• Cela fait penser à l’expérience de la goutte d’huile de Millikan et Fletcher

  • C’est une expérience qui a mesuré la charge de l’électron
  • On calcule le volume en mesurant le temps de chute de minuscules gouttes d’huile
  • On fait léviter les gouttes d’huile à l’aide d’un champ électrique connu
  • Les charges calculées se regroupent en multiples d’une petite valeur
  • Il s’agit de la charge d’un électron individuel

• Cela soulève la question de savoir si l’hypothèse selon laquelle l’huile s’étale sur l’épaisseur d’une seule molécule n’était pas une simple conjecture

  • Question sur la possibilité que la tension de surface maintienne l’huile plus épaisse
  • Curiosité quant à l’existence d’autres indices suggérant qu’il s’agissait bien d’une monocouche moléculaire

• J’aurais aimé suivre à l’école un cours sur la « conception d’expériences scientifiques »

  • Il expliquerait des expériences historiques et proposerait des défis aux étudiants
  • On y apprendrait à concevoir et à réaliser des expériences pour estimer la taille de la Terre, réfuter le phlogistique et l’éther luminifère, ou mesurer la vitesse de la lumière

• J’ai reproduit cette expérience dans un cours de physique à l’université

  • Cela demandait beaucoup de travail, mais c’était instructif et intéressant
  • Les exigences matérielles convenaient à un laboratoire de physique de premier cycle
  • Je recommande vivement d’essayer si vous en avez la possibilité