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Labex MATISSE
MATériaux, InterfaceS, Surfaces, Environnement

Mesures acoustiques en conditions extrêmes de pression et température.

Fiche technique

  • Intitulé : Mesures acoustiques en conditions extrêmes de pression et température.
  • Thème : développement d’une expérience permettant de mesurer les propriétés visco-élastiques et les courbes de fusion des métaux dans des conditions de pression et de température extrêmes. Il se base sur la possibilité technique d’associer trois outils expérimentaux « extrêmes » : acoustique laser ultra-rapide, cellule à enclumes de diamant, et chauffage laser.
  • Financement :
    - MATISSE : 21%
    - ANR-08-BLAN-0109-01 : 79%
  • Responsable scientifique du projet : Simon Ayrinhac - IMPMC / PALM
  • Co-porteurs :
    - Daniele Antonangeli - Minéralogie des intérieurs planétaires (MIP)
    - Guillaume MORARD - Minéralogie des intérieurs planétaires (MIP)
    - Frédéric DECREMPS - Equipe : Physique des amorphes, liquides et minéraux (PALM)
    - Michel GAUTHIER - Equipe : Physique des amorphes, liquides et minéraux (PALM)
  • Localisation : IMPMC

Présentation du projet

Originalité et caractère innovant
L’expérimentation visant à déterminer les propriétés élastiques des matériaux à HP et/ou HT est un défi technique, surtout dans le cas critique d’échantillons métalliques. ctuellement, une recherche intense est effectuée pour améliorer les techniques classiques et développer de nouvelles approches. Dans ce cadre, nous proposons ici un projet concernant la mesure HP/HT de la vitesse du son dans des métaux, qu’ils soient solides ou liquides par une technique de laboratoire innovante alliant laser pompe-sonde femtoseconde, cellule à enclumes de diamant (CED), et chauffage laser. L’acoustique picoseconde en CED est au ourd’hui opérationnelle sous HP Mbar à l’IMPMC, mais elle est limitée à de faibles températures (<600 K). Sa mise en oeuvre dans le cas des très hautes températures >2000 K) demande donc de lever des verrous techniques importants. La réussite est cependant au ourd’hui envisageable grâce aux expertises complémentaires des intervenants dans ce projet.

L’intérêt scientifique d’un tel dispositif expérimental est très large. La caractérisation de la propagation des ondes élastiques dans les solides, les liquides ou bien les verres, est un moyen très puissant pour déterminer nombre de propriétés physiques de la matière condensée. Ces propriétés sont reliées à la dynamique du réseau cristallin ou aux excitations collectives, telles que la vitesse du son, les modules élastiques, les constantes de force interatomiques, les effets thermo-élastiques, la piézoélectricité, les interactions phonon-phonon, le couplage électron-phonon, les instabilités dynamiques ou les phénomènes de relaxations. Son application à l’étude des matériaux, notamment dans le domaine des sciences de l’ingénieur, est immédiate, et couvre la problématique de la distribution des contraintes, de la formation des fractures, ou de la détermination des limites élastiques. Etudier les variations de la propagation des ondes élastiques en fonction de la pression et de la température est particulièrement important pour comprendre les propriétés élastiques, la stabilité mécanique des solides, la résistance des matériaux, les interactions atomiques, établir les équations d’état, les lignes de fusion et les mécanismes de transition de phase.

Parmi les différentes applications, nos premiers projets scientifiques se focaliseront sur :

  1. (i) l’étude des propriétés fascinantes des métaux alcalins liquides à haute pression et haute température ;
  2. (ii) les courbes de fusions et les propriétés élastiques du fer et de ses alliages à haute pression et haute température, en relation avec la physico-chimie des noyaux planétaires.

Concernant la vitesse du son des métaux solides sous conditions extrêmes, la motivation « planétologie » est bien sûr très forte. Se basant sur la comparaison entre modèles sismiques de Terre et mesures de vitesses du son par ondes de choc, Birch a proposé dans les années 50 que le noyau terrestre était principalement composé de fer, de nickel ainsi que d’éléments « légers ». Les abondances cosmologiques, les affinités chimiques et des considérations sur leur volatilité indiquent que Si, O, C et S sont les candidats les plus relevant, sans que l’on ne connaisse encore dans quelles proportions. Dans la plupart des cas, l’élasticité des alliages de fer à haute pression n’a été amais mesurée, et les calculs sont limités aux matériaux de chimie simple.

Pour ce qui est des liquides denses, ce pro et concerne l’étude sous pression et température des alcalins en phase liquide, et plus spécifiquement Li et Na. Ces métaux ont longtemps été considérés comme équivalant à des systèmes « simples », ions dans un bain d’électrons libres. Cependant, cette vision a été remise en cause par plusieurs études expérimentales et théoriques. Des résultats de mesures de diffraction X ont par exemple montré que plusieurs alcalins présentent des singularités dans leur diagramme de phase dues à des effets électroniques (hybridations, corrélations), et/ou quantique (noyaux). Des travaux théoriques ont mis en évidence l’échec du modèle du gaz d’électrons pour décrire les états de valence sous haute pression, avec une localisation électronique induite par la présence des noyaux et de leurs coeurs durs. Quelle est l’origine de ces anomalies ? Existe-t-il une transition de phase du premier ordre dans l’état liquide de ces alcalins ? Quelle est leur équation d’état?

Faisabilité du projet

L’équipe proposée associe des physiciens, spécialistes de l’acoustique pompe-sonde et des techniques de génération des hautes P, avec des géophysiciens experts en chauffage laser, proches collaborateurs scientifiques dans le cadre des problématiques liées aux propriétés des métaux sous conditions extrêmes.

Caractère fédérateur

Le banc d’expériences intéresse plusieurs communautés : les géophysiciens, les physiciens, les chimistes et les théoriciens. A titre d’exemple, des collaborations en cours concernent déjà les thématiques suivantes :

  • Mesure de la vitesse du son dans le Fe polycristallin et dans les alliages du fer usqu’à 150 GPa, nécessaire à l’interprétation de données sismiques et à la modélisation du noyau solide de la Terre (thèse E. Edmund, encadrants D. Antonangeli, F. Decremps (IMPMC) et L. Boschi (ISTEP))
  • Effets quantiques dans l’hydrogène et le deutérium sous pression, pour la compréhension des planètes gazeuses géantes et des exoplanètes (en collaboration avec A.Goncharov à Carnegie, Washington, E-U)
  • Etudes des anomalies des verres d’oxydes (en collaboration avec L. Cormier et G. Lelong, IMPMC) - Etude de la stabilité des supracristaux de cobalt auto-assemblés (en collaboration avec G.Simon de MONARIS, UPMC)

Calendrier de réalisation

Compte-tenu de la complexité expérimentale du présent pro et, nous proposons d’opérer par paliers, en se fixant des objectifs intermédiaires de difficulté afin de lever les verrous techniques pas à pas. Le calendrier opérationnel présent plus haut permet de donner les grandes lignes des étapes techniques qui nous permettront in fine de focaliser notre attention sur plusieurs matériaux tests : 

  1. L’effort se portera en premier lieu sur le développement des mesures acoustiques via l’acoustique picoseconde) sous haute pression et haute température sur des éléments métalliques présentant une réactivité chimique la plus faible possible, par exemple le Mo. Ce travail représente un premier réel défi technique lié aux très hautes températures nécessaires pour déterminer les courbes de fusion du Mo (1600 K <T< 4000 K).
  2. La réussite de cette première étape permettra par la suite, via la mise en place d’un nouveau banc électronique de détection rapide CCD , de sonder en moins d’une seconde l’évolution sous conditions extrêmes HP/HT de la réflectivité optique et des vitesses du son sur tout type de matériaux, y compris les métaux chimiquement très réactifs (alcalins).

A l’issue de cette phase de tests, nos travaux porteront sur des projets scientifiques d’envergure, à savoir :

  1. l’étude des métaux alcalins liquide sous haute densité ;
  2. étude du fer et de ses alliages aux conditions des noyaux planétaires.

Adéquation entre le matériel demandé et les projet s associés

Lors d’un financement ANR précédent (APICOCED, ANR-08-BLAN-0109-01), notre équipe a développé un banc d’expérience d’acoustique picoseconde en cellule à enclumes de diamant. Cette expérience est au ourd’hui opérationnelle et permet de mesurer la vitesse du son d’un métal, liquide ou solide, sous haute pression (P>150 GPa). La somme demandée permettra donc de l’évolution d’un projet ayant coûté 350 k€, s’étalant sur 5 ans et ayant déjà produit une dizaine de publications (sans compter les nombreux projets en cours). Cette technique s’avère de plus parfaitement adaptée à nos problématiques géophysique et/ou physique des métaux liquides et solides denses), sous réserve que nous adaptions ce banc à des expériences sous très hautes températures. Cela nécessite, entre autres, de modifier toute l’optique d’entrée de la sonde et de la pompe de manière à associer laser acoustique Ti-saphir et laser YAG, tous deux focalisés au même point de l’échantillon dans une cellule à enclumes de diamant.

Conditions d'utilisation des équipements (personnel et budget)

MATISSE 2016 - Equipements 6 L’équipement est actuellement développé et utilisé par des chercheurs permanents des équipes PALM et MIP, ainsi qu’un doctorant (Eric Edmund, IMPMC-ISTEP), et un post-doctorant Sayed Albahrani (IMPMC, MONARIS-labex MICHEM). Les coûts de maintenance ont été assurés par le financement de base du laboratoire et par de petits projets financés (CNRS-INSU, PNP 2015 et 2016).

Pertinence de l’équipement au regard de l’existant

Ce pro et concerne les mesures d’acoustique sous conditions extrêmes pour étudier des problématiques scientifiques de premières importances au niveau mondial. Il nécessite de mettre en place une technique innovante et originale associant acoustique picoseconde, CED et chauffage laser. Ce banc expérimental n’existe nulle part actuellement.

Intérêt du projet

Ce pro et s’inscrit parfaitement dans l’ Axe 5 de Matisse « Matériaux en conditions extrêmes ». Ce nouveau dispositif permettra d’offrir à la communauté MATISSE un banc d’expérience unique au monde pour réaliser des mesures de vitesses du son et de courbe de fusion sous hautes pressions et températures. Les arguments scientifiques concernent ici l’étude de métaux dont l’intérêt fondamental en physique est fort (alcalins), et de matériaux à intérêts géophysiques majeurs pour l’étude des noyaux planétaires (Fer et ses alliages). Les mesures de vitesse du son pour les matériaux d’intérêts géophysiques demandent au minimum six heures de temps d’exposition par palier de pression-température pour les expériences de diffusion inélastique des rayons X (IXS), ce qui limite fortement l’espace des paramètres. La mise en place d’un système plus rapide et disponible en laboratoire permettra de drastiquement augmenter les données importantes sur ces systèmes géophysiques. Ces travaux donneront lieu à des publications à fort impact dans des journaux de rang international. Cette même technique pourra être utile à l’ensemble de la communauté Matisse via l’opportunité d’étudier tout type de matériaux (opaques, transparents, nanométriques, ou encore structurés à différentes échelles comme les supracristaux) dans des domaines aussi variés que la physique, la chimie ou encore les sciences de la Terre. De plus ce projet peut aussi favoriser l’émergence de nouvelles collaborations au sein du labex Matisse, notamment en attirant les géophysiciens de l’ISTEP (UMR CNRS 7193) ou du Laboratoire de Géologie de l’Ecole Normale Supérieure (UMR CNRS 8538), par exemple.

18/01/19

Traductions :

    MATISSE en chiffres

    • 4 disciplines : Chimie, Physique, Sciences de la Terre, Patrimoine
    • 400 permanents

    Contact

    Direction

    Florence Babonneau

     

    Administration

    matisse @ upmc.fr

     

    Communication

    Emmanuel Sautjeau

    emmanuel.sautjeau @ sorbonne-universite.fr