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Des matériaux sous pression

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Direction de la communication

 

Marie Pinhas-Diena, responsable de la communication scientifique l T. 01 44 27 22 89 l M. marie.pinhas@upmc.fr

Des matériaux sous pression

Comment réagissent des matériaux soumis à des conditions extrêmes de température et/ou de pression ? Comment ajustent-ils ensuite leurs structures cristallographiques, leurs propriétés élastiques et électroniques ? Le « géo-mimétisme » est-il possible en laboratoire ? L’axe « Matériaux sous conditions extrêmes » du labex MATISSE nous convie à un voyage au coeur de la matière, qu’elle soit naturelle ou synthétique, et qui intéresse au plus haut point les géologues, les chimistes et les physiciens.

 

La Terre, un laboratoire grandeur nature

Les grandes planètes de notre système solaire sont composées, pour l’essentiel, de molécules diatomiques simples, de silicates et d’alliages de fer soumis à de très fortes pressions et à des températures très élevées. En mesurant sur le terrain les vitesses de propagation d’ondes acoustiques dans la Terre (à partir d’impulsion naturelle comme les tremblements de terre, ou artificielle comme une puissante explosion), les géophysiciens peuvent se faire une idée précise de la structure interne de la Terre, et ainsi mieux comprendre sa dynamique (e.g. la genèse du champ magnétique ou la tectonique des plaques).

 

L’oxygène solide sous pression, 5-9 GPa (300K) observé en CED. D. R.

 

Le retour à la paillasse, un espace plus confiné

La dynamique et l’évolution de l’intérieur de la Terre sont fortement influencées par les propriétés rhéologiques des minéraux constitutifs du manteau. Et les phénomènes physico-chimiques qui en découlent sont encore mal compris car ils sont étudiés de façon partielle et empirique. Il faut donc pouvoir reproduire, à l’échelle du laboratoire, les « conditions réelles d’existence » de ces matériaux.

 

Au fil des années, l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/UPMC/IRD/MNHN) a conçu et acquis un ensemble d’instruments dédiés à l’expérimentation sous très haute pression. Ces équipements servent plusieurs objectifs : l’étude des propriétés physico-chimiques (structurales, électroniques, magnétiques) de systèmes sous conditions extrêmes, synthèse de nouveaux matériaux sous haute pressions et températures, et l’identification de paramètres de structures clefs dans les verres.

 

Des presses hautes-pressions

La réalisation d’expériences sur la matière en conditions extrêmes nécessite un confinement préalable de l’énergie qui dépend du volume et de la pression maximum recherchée. Les appareillages sont adaptés à chaque cas.

 

Les systèmes du type « piston-cylindre » permettent d’atteindre 1.5 GPa sur quelques cm3. La cellule à enclumes de diamant (CED) convient à des pressions très élevées, mais le volume expérimental se réduit à quelques millionièmes de mm3 à 200 GPa. Les recherches requièrent non seulement de varier la pression mais également la température. Les dispositifs compatibles avec les presses conçus en laboratoire permettent de couvrir une large gamme de température : fours résistifs (300-2000 K), chauffage laser (T> 1500 K) et cryostat (10-300 K).

 

Cellules à enclume de diamants (CED). © IMPMC

 

Les presses « Paris-Édimbourg », développées en collaboration avec l’université d’Édimbourg permettent de travailler sur quelques dizaines de mm3 à 20 GPa. À l’origine conçue pour la diffraction de neutrons sur des échantillons, elles ont ensuite été adaptées aux mesures de diffraction X sous rayonnement synchrotron. Constitué pour l’essentiel d’acier et ne pesant que 50 kg, cet instrument aux dimensions réduites est facilement utilisable et transportable. Ces presses sont désormais installées sur des grands instruments (synchrotrons, sources de neutrons) et dans de nombreux laboratoires internationaux. Elles sont utilisées aussi bien pour la caractérisation d’échantillons que pour la synthèse de nouveaux matériaux.

 

Presse « Paris-Edinburgh » équipée pour la diffusion de neutron, avec système cryogénique associé. © IMPMC

Pour en savoir plus :

Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/UPMC/IRD/MNHN)Nouvelle fenêtre



03/06/14