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Labex MATISSE
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Cellule à enclumes de diamants miniature

Fiche technique

  • Intitulé : Cellule à enclumes de diamants miniature pour les études structurales par diffraction X sous haute pression (0-20GPa) et température contrôlée (50-500K)
  • Thèmes :
    • Matériaux en conditions extrêmes
  • Financement :
    • MATISSE : 88%
    • IPMC : 12%
  • Responsable scientifique du projet :  Benoît Baptiste
    Laboratoire/équipe : IMPMC
  • Co-porteurs : 
    • Frédéric Datchi, Alain Polian
      Laboratoire/équipe : PHYSIX (IMPMC)
    • Philippe Rosier
      Laboratoire/équipe : Atelier mécanique de l’IMPMC
    • Paraskevas Parisiadis
      Laboratoire/équipe : Plateforme des hautes pressions l’IMPMC
    • Andrea Gauzzi
      Laboratoire/équipe : DEMARE (IMPMC)
    • Lise-Marie Chamoreau
      Laboratoire/équipe : Plateforme de diffraction des rayons x de l’IPCM
    • Rodrigues Lescouezec
      Laboratoire/équipe : ERMMES (IPCM)
  • Localisation : IMPMC et IPCM

Présentation du projet scientifique

Résumé

Ce projet d’équipement vise à concevoir et mettre à la disposition de la communauté scientifique un nouvelle cellule à enclumes de diamants (CED) permettant de réaliser, dans le cadre de plateformes d’analyse ouvertes, l’étude structurale de matériaux ou de composés moléculaires à l’état cristallin par diffraction des rayons X (drx), à la fois sous haute pression (0 – 20GPa) et dans une gamme de température contrôlée étendue (50-500K). Outre la possibilité d’être chargée en gaz, les petites dimensions de cette CED et sa grande ouverture angulaire autoriseront son installation sur un goniomètre 4-cercles standard et rendront possible le refroidissement (ou le chauffage) par un dispositif cryogénique par jet d’azote ou d’hélium gazeux, pour des mesures facilitées sur des diffractomètres de laboratoire. Actuellement, aucune CED n’offre autant de possibilités.

Contexte et applications

La diffraction des rayons x est une des techniques les plus employées pour la caractérisation de matériaux naturels ou synthétiques, dans l’exploration de l’existant ou la recherche de nouveaux systèmes fonctionnels, pour comprendre l’histoire ou les propriétés de la matière au regard de sa structure au niveau atomique. L’application de conditions de température et de pression extrêmes ajoute une dimension supplémentaire aux mesures de diffraction pour atteindre, sonder et interpréter des états particuliers et/ou des comportements nouveaux (mécaniques, optiques, magnétiques, électriques) corrélés à des réarrangements atomiques (transition de phase, transition de spin). Dans ce contexte, des travaux récents menés à l’IMPMC illustrent l’intérêt des études structurales sous pression hydrostatique par drx in situ comme par exemple la compréhension des propriétés de luminescence d’un complexe d’iodure de cuivre mécanochromique par le suivi de l’évolution de sa structure moléculaire en CED [4] ou encore la détermination d’une nouvelle structure de glace ionique composée d’H2O et NH3, composant majoritaire des planètes géantes [5]. D’autres projets ambitieux amorcés à l’IMPMC et à l’IPCM comme ceux présentés plus haut nécessiteraient à la fois le contrôle de la pression et de la température, une configuration expérimentale complexe, qui reste l’apanage d’installations lourdes dédiées sur les synchrotrons, en particulier pour le refroidissement. Ces projets nous motivent aujourd’hui à développer une nouvelle CED facilitant particulièrement les mesures de drx sous pression à basse température sur des diffractomètres de laboratoire.

Originalité et caractère innovant

S’il est facilement envisageable de chauffer une CED par un dispositif résistif relativement peu encombrant (Fig.2), intégrer un dispositif de refroidissement pour CED au diffractomètre est un tout autre défi et c’est là que réside tout l’intérêt de notre projet.

La principale limitation tient aux contraintes mécaniques des petits goniomètres et à l’espace réduit de l’environnement échantillon des diffractomètres de laboratoire, qui rendent impossible l’installation d’un cryostat fermé nécessaire pour les CED actuelles (50 à 60mm de diam.). L’idéal serait de disposer d’une cellule de petite taille (15mm de diam.), dans un matériau de bonne conductivité thermique, que l’on puisse refroidir (et même chauffer jusqu’à 500K) au moyen de cryostats ouverts (à jet d’azote ou d’hélium gazeux) plus faciles à mettre en oeuvre et indépendants du goniomètre, comme s’il s’agissait d’un échantillon hors CED.

Le 2eme critère essentiel sera la possibilité de charger la cellule avec des échantillons gazeux, par ex. CO2, N2, NH3 pour les applications de l’équipe Physix, et/ou un milieu transmetteur de pression (MTP) gazeux (He ou Ne) pour des mesures dans des conditions quasi-hydrostatiques. Un avantage majeur car les MTP ont tendance à durcir et à contraindre l’échantillon de façon inhomogène à basse température. Enfin, dernière caractéristique indispensable, l’ouverture angulaire de la CED devra être suffisamment grande (>60°) afin d’atteindre la résolution cristallographique suffisante pour la détermination structurale sur monocristal et des affinements de qualité.

Actuellement, aucune CED n’offre cet éventail de possibilités. Le modèle le plus proche de nos attentes est celui commercialisé par Almax-Easylab (voir devis). Sa géométrie inspirée des travaux de Graf et al. [6] est intéressante mais elle n’autorise pas les chargements en gaz. Partant de ce constat, nous proposons la conception d’une cellule miniaturisée sur la base de modèles déjà développés à l’IMPMC (CED Le Toullec, Fig.1) permettant un contrôle précis de la pression, dans une matière compatible avec la gamme de température envisagée et qu’il sera possible de clamper pour un MATISSE 2018 - Equipements 6 chargement avec la chargeuse à gaz de l’IMPMC. A titre indicatif, le devis d’Almax-Easylab en annexe fait état d’un montant de 14keuros pour la cellule et sa presse (le prix de la CED HT est de 13 keuros). Nous proposons la réalisation de notre CED complète répondant aux critères énoncés pour 8 keuros. L’acquisition d’un gonfleur automatique comme le modèle commercialisé par Almax-Easylab (8 keuros) pour une régulation très précise de la pression sous température variable serait un avantage considérable pour disposer d’un équipement complet entièrement dédié aux plateformes. Nous estimons donc le coût total du projet à 16 keuros et demandons 14 keuros au Labex Matisse.

Faisabilité du projet

Ce projet s’appuie sur un ensemble de compétences et d’équipements à la hauteur des objectifs présentés. L’IMPMC est depuis des années un acteur majeur dans le paysage des études sous hautes pression, la conception de CED (Fig.1) et de presses aux géométries variées, ainsi que l’adaptation des environnements échantillons sur les instruments de laboratoire et de synchrotrons. L’IMPMC dispose de son propre atelier mécanique (resp. : P. Rosier) équipé d’une machine-outil numérique et d’une plateforme hautes pressions (resp. : P. Parisiadis) disposant des moyens pour le montage et le chargement des cellules, y compris en gaz, ainsi qu’un dispositif de perçage laser pour la réalisation des joints des CED.

 

Figure 1 : quelques modèles de cellules à enclumes de diamants développées à l’IMPMC.

Les mesures de diffraction seront réalisées dans le cadre de 2 plateformes de drx partenaires [7], dont les instruments et compétences complémentaires permettront l’accueil de projets dans les domaines de la chimie moléculaire à la physique des matériaux. L’IMPMC dispose d’un diffractomètre à anode tournante Rigaku dont la configuration unique permet aussi bien des mesures sur poudre que sur monocristal. Il est équipé tout récemment d’un cryojet N2 (80-500K) et d’un dispositif de chauffage pour CED (300-750K) (Fig.2). L’IPCM dispose d’un diffractomètre 4-cercles Bruker (Fig.2) sur lequel sera installé au printemps 2018 un cryojet N2/He permettant d’atteindre 30K (le 1er accessible sur une plateforme en France), acquis en partenariat avec l’IMPMC. L’IPCM dispose par ailleurs de nombreuses sources lasers rendant possible des études combinant haute pression, basse température et irradiation. Enfin, un dispositif complet de mesure de pression in-situ (par suivi de la fluorescence du rubis) dédié aux diffractomètres (critère impératif pour le contrôle de la pression au cours des mesures de drx in situ) est en cours de montage.

 

Figure 2 : équipements de diffraction x des plateformes de l’IMPMC et de l’IPCM adaptés au projet.

Conditions d'utilisation des équipements (personnel et budget)

L’utilisation des CED sera encadrée par des experts pour le choix des milieux transmetteurs, des pressions et températures envisagées et des chargements (équipe Physix, plateforme haute pression. L’accès aux deux plateformes de drx partenaires est déjà assujetti à un protocole de tarification couvrant les frais d’utilisation et les consommables. Les acquisitions seront encadrées par des cristallographes (L.-M. Chamoreau et B. Baptiste) ayant l’expérience des mesures en conditions MATISSE 2018 - Equipements 7 extrêmes. Toutes les ressources sont réunies pour mener à bien tant la conception que la mise en oeuvre des expériences avec ces nouvelles CED. Références

  1. Alabarse et al., J. Phys. Chem. C 2017, 121, 6852−6863
  2. Alabarse et al, Phys. Rev. Lett. 2012, 109, 035701
  3. De et al. RSC Adv., 2016, 6, 17456–17459
  4. ( Benito et al. Inorg. Chem. 2015, 54, 9821−9825
  5. Liu et al. Nature Commun. 2017, 8, 1065
  6. Graf et al. High Press. Res. 2011, 31, 533
  7. Travaux issus du partenariat entre les plateformes de drx de l’IMPMC et de l’IPCM :
    • H. Moutaabbid et al. Inorg. Chem. 2016, 55, 6481−6486.
    • B. W. Lebert et al. Phys Rev B. 2017, 95, 155110.
    • R. Federicci et al. Acta Cryst. 2017. B73, 1142–1150.
    • R. Federicci et al. Phys Rev Mat 2017, 1, 032001.

21/01/19

Traductions :

    MATISSE en chiffres

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

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