Les mélanges ammoniac/eau sous pression : une nouvelle voie pour accéder aux phases ioniques ?

Axe 5 - Matériaux en conditions extrêmes

post-doctorat de Cailong Liu

Mené du 15 novembre 2013 au 14 mai 2015.

Current position : Professeur assistant à l’université de Jilin en Chine

Laboratoires co-porteurs

• Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie
  Porteuse de projet : Sandra Ninet
  Encadrants : Frédéric Datchi, Marco Saitta
• Institut des NanoSciences de Paris
  Encadrants : Fabio Finocchi

Mots clés

Haute pression, glaces à liaison hydrogène, phases superioniques

Actualités

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— Physique au CNRS (@INP_CNRS) January 19, 2018

Plateformes techniques utilisées

• Plateforme de spectroscopie de l'IMPMC
• Plateforme de diffraction de l'IMPMC
• Les lignes SMIS et PSICHE du Synchrotron SOLEIL
• La ligne ID27 du synchroton de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility)

Présentation du projet

L’eau et l’ammoniac sont des molécules simples très abondantes dans l’univers. En particulier, elles seraient, avec le méthane, les constituants majoritaires des couches internes des planètes géantes glacées (Uranus, Neptune), de satellites (Titan, Ganymède) et d’exoplanètes telles que GJ 436b or HAT-P-11b, dans lesquelles elles sont soumises à des conditions extrêmes de pression et de température. On soupçonne que le champ magnétique inhabituel de Neptune et Uranus observés par la sonde Voyager II provient de l’ionisation de ces molécules sous haute pression et température.  Des recherches précédentes ont montré que, dans les glaces d’eau et d’ammoniac pures, la pression et la température favorisent la création d’ions à des pressions très élevées, de l’ordre du Mbar (1 Mbar =100 GPa = 1 million de fois la pression atmosphérique), mais jusqu’à présent, la présence d’espèces ioniques dans les mélanges de glaces, plus pertinents pour décrire les intérieurs planétaires, n’avait jamais été démontrée.

Dans ce projet, nous avons cherché à montrer si des phases ioniques existent aussi dans les mélanges de glace. En combinant des expériences en laboratoire (spectroscopies Raman/Infrarouge) et sur grands instruments (diffraction des rayons X (ESRF) et des neutrons (ISIS), spectroscopie Infrarouge (SOLEIL)), nous avons montré que la compression d’un mélange équimolaire d’eau et d’ammoniac solide favorise son ionisation, grâce au transfert de proton (H+) entre l’eau et l’ammoniac. Cette ionisation se produit à des pressions plus de 10 fois plus faibles que dans les corps purs. Contrairement aux attentes, cette ionisation n’est pas complète car le nouveau composé synthétisé au-delà de 7 GPa contient à la fois des ions (OH-, NH4+) et des molécules (H2O, NH3) (voir figures 1 et 2). Grâce à des calculs ab initio de dynamique moléculaire, nous avons montré que, contrairement aux glaces pures, l’ionisation n’est que partielle dans les mélanges car elle est frustrée par le désordre très important qui caractérise ce cristal, que l’on peut décrire comme un alliage ionico-moléculaire. Ce composé, le premier exemple du genre dans un système si simple, reste stable sur un large domaine de compression (80 GPa minimum) à température ambiante [1]. 

La prochaine étape sera d’étudier l’effet des hautes températures pour voir si un solide dit « superionique », caractérisé par une diffusion et donc une conductivité protonique très élevée, peut être obtenu dans des conditions de pression et de température beaucoup plus douces que celles observées dans les glaces pures et d’en étudier les conséquences sur les modèles planétaires.

Figure 1 : Spectres Raman (à 10 GPa) et d’absorbance (à 12 GPa) du monohydrate d’ammoniac. Les spectres expérimentaux (lignes pleines) à 300 K sont comparés aux spectres simulés de la phase purement ionique prédite (P4/nmm) à 0K. Les parties grisées dans le spectre Raman masquent les signaux Raman du 1er et 2nd ordre des enclumes de diamant utilisées pour pour atteindre les hautes pressions. De même, la partie grisée dans le spectre d’absorbance masque l’absorption dûe aux diamants.

Figure 2 : Images issues des calculs ab initio à 10 GPa et montrant (a) le transfert d’un proton (en vert) d’une molécule d’eau vers une molécule d’ammoniac et conduisant (b) à la formation d’une paire d’ions (NH4+,OH-) coexistant avec des molécules d’eau et d’ammoniac.

Publications

Plusieurs articles sont en cours de publications.

• Topologically frustrated ionisation in a water-ammonia ice mixture
  C. Liu, A. Mafety, J.A. Queyroux, C. W. Wilson, H. Zhang, K. Béneut, G. Le Marchand, B. Baptiste, P. Dumas, G. Garbarino, F. Finocchi, J.S. Loveday, F. Pietrucci, A.M. Saitta, F. Datchi and S. Ninet
  Nature Communications, 8, 1065 (2017)

Principales communications

Conférences (invité principal)

1. "Ammonia-water mixture under high pressure", HP4 workshop on High Pressure, Planetary and Plasma Physics, Gottingen, France (2017) 2)
2. “Diamond anvil cell results on NH3 and NH3/H2O mixtures", GDRI MECMATPLA, Paris (2016)

Autres conférences 

1. C. Liu, A. Mafety, J.A. Queyroux, C. Wilson, K. Beeneut, G. Le Marchand, B. Baptiste, P. Dumas, G. Garbarino, F. Finocchi, J.S. Loveday, F. Pietrucci, A.M. Saitta,  F. Datchi and S. Ninet, “Ammonia monohydrate at high pressure », EHPRG, Bayreuth (2016)
2. J.A. Queyroux, C. Liu, S. Ninet et al., “Ammonia monohydrate at high pressure », SOLEIL User’s meeting (2015)  

Diffusion

Les travaux de Cailong Liu ont été sélectionnés par le conseil scientifique de l’IMPMC pour être présenté lors de l’évaluation HCERES en janvier 2018.

Ils ont fait l’objet d’un article dans le livre des Highlights de l’ESRF 2017 (http://www.esrf.eu/Apache_files/Highlights/HL2017.pdf) (page 56-57) et feront l'objet d'un article dans les highlights de Soleil 2018.