De l'hélium à l'eau : capillarité et métastabilité dans deux liquides d'exception

In this manuscript, we illustrate the concepts of capillarity and metastability with examples mostly involving helium or water. The study of metastable liquids can bring original information about their structure. In the case of water, we have measured how far the liquid could be brought away from equilibrium with the vapor: we have thus explored the region of negative pressures, where the liquid is put under mechanical tension at reduced density. Our results point out a new anomaly of water in this region. In helium, we have explored another kind of metastability, this time by applying pressure above freezing: the liquid becomes denser and metastable compared to the solid. This raises interesting questions about the persistence of superfluidity. First, we focus on capillarity, with a particular attention given to the liquid-solid interface of helium and the liquid-vapor interface of water. Some elements concerning adsorption in pores are also given. Then we discuss metastability from a theoretical point of view; we give a quantitative relation with capillarity, and make the connection between cavitation and some anomalies of helium and water. We also adress the quantum properties of metastable helium, and make a brief digression about nucleation in confined geometry. Finally, we summarize our experiments on cavitation in water and crystallization in helium, based on the same acoustic technique.Dans ce manuscrit, nous illustrons les concepts de capillarité et de métastabilité avec des exemples mettant en jeu surtout l'hélium ou l'eau. L'étude de liquides métastables peut apporter des informations originales sur leur structure. Dans le cas de l'eau, nous avons mesuré à quel degré le liquide pouvait être porté au-delà de l'équilibre avec la vapeur : nous avons ainsi exploré la région des pressions négatives, où le liquide est mis sous tension mécanique, à densité réduite. Nos résultats indiquent une nouvelle anomalie de l'eau dans cette région. Dans l'hélium, nous avons exploré une autre sorte de métastabilité, cette fois en appliquant une pression supérieure à la pression de cristallisation : le liquide devient plus dense et métastable comparé au solide. Cela soulève des questions intéressantes à propos du maintien de la superfluidité. Tout d'abord, nous nous intéressons à la capillarité, en portant une attention particulière à l'interface liquide-solide de l'hélium et à l'interface liquide-vapeur de l'eau. Nous présentons également quelques éléments concernant l'adsorption dans des pores. Ensuite nous discutons la métastabilité d'un point de vue théorique ; nous donnons une relation quantitative avec la capillarité et faisons le lien entre la cavitation et certaines anomalies de l'hélium et de l'eau. Nous traitons aussi des propriétés quantiques de l'hélium métastable et faisons une brève digression à propos de la nucléation en géométrie confinée. Enfin, nous récapitulons nos expériences sur la cavitation dans l'eau et la cristallisation dans l'hélium, basées sur la même technique acoustique