Les chenaux de percolation : une idée universelle pour expliquer la structure et les propriétés des verres, des liquides et des magmas
Une équipe internationale de chercheurs, menée par Charles Le Losq et Daniel Neuville de l’Institut de physique du globe de Paris, révèle comment la structure des verres et liquides alumino-silicatés présente des nano-arrangements moléculaires affectant grandement leurs propriétés.
Date de publication : 29/11/2017
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Ces matériaux constituant la plupart des roches terrestres et des verres industriels, cette découverte pourrait par exemple permettre de fabriquer des écrans d’appareils mobiles plus résistants, d’améliorer la stabilité du stockage des déchets nucléaires ou encore de mieux comprendre les phénomènes magmatiques à la surface des planètes telluriques.
L’étude, publiée dans Scientific Reports le 28 novembre 2017, s’intéresse à un problème central en sciences : la structure moléculaire des verres et de leurs liquides parentaux. Les verres sont des matériaux obtenus par trempe rapide de liquides. Leur structure moléculaire représente celle du liquide à la transition liquide-verre, de telle sorte que, contrairement aux cristaux, elle est désorganisée. Les verres sont par exemple utilisés pour manufacturer des écrans de téléphones et tablettes, des parebrises automobiles, des vitres, des fibres optiques ou encore pour inerter les déchets nucléaires à vie longue. Ils représentent également des reliques de magmas au sein des environnements volcaniques et sont ainsi des témoins importants des phénomènes magmatiques terrestres. C’est pourquoi les verres ont une importance fondamentale pour mieux comprendre notre planète et améliorer notre vie quotidienne.
La majorité des verres géologiques et industriels ont une composition chimique alumino-silicatée : ils renferment une grande quantité d’oxyde de silice et d’aluminium. Ils peuvent de plus contenir différents éléments comme le sodium, le potassium, le calcium et le magnésium. Les proportions des différents éléments qu’ils contiennent vont contrôler leurs propriétés physicochimiques, telles que leur flexibilité ou leur résistance chimique. Les recherches passées ont montré que, à l’échelle de quelques atomes (moins de 0,5 nanomètres), les molécules présentent une certaine organisation dans les verres. Cependant, à plus grande échelle, la structure moléculaire de ces verres est généralement considérée comme aléatoire.
En utilisant différentes nouvelles expériences et simulations numériques, les auteurs de cette étude ont observé des données qui déconstruisent cette idée. Les résultats montrent qu’à l’échelle de quelques nanomètres, la structure de ces verres est en réalité relativement ordonnée.
Ces verres présentent un réseau fait d’atomes d’oxygène liés à des atomes de silicium et d’aluminium. Les autres éléments comme le sodium et le potassium forment des clusters voire des chenaux percolants dans le réseau alumino-silicaté, qui peuvent être imagés comme des autoroutes traversant un centre-ville. Ces veines atomiques nanométriques ont des tailles dépendant de la composition du verre et affectent fortement ses propriétés, notamment la façon dont son liquide parental s’écoule dans un four industriel ou dans un édifice volcanique.
Pour arriver à visualiser directement et indirectement la présence de tels nano-arrangements, les chercheurs ont combiné différents types d’expériences et de simulations de dynamique moléculaire. Ils ont mesuré à l’IPGP la viscosité (résistance à l’écoulement) des liquides à haute température (entre 800 et 1600°C), ainsi que la densité des verres formés par trempe de ces liquides. En utilisant des techniques permettant de déterminer la structure des verres et des liquides telle que la Résonance Magnétique Nucléaire (CEMHTI-CNRS, Orléans) et la spectroscopie Raman (IPGP-Paris), ils ont réussi à relier les variations de propriétés aux variations de structure. Ils ont également visualisé la dynamique de ces liquides et la structure des verres obtenus par leur trempe en utilisant des simulations de dynamique moléculaire mettant en jeu des milliers d’atomes, les résultats de ces simulations ayant été comparés avec leurs expériences pour valider leur précision.
Cette approche met donc en jeu différentes techniques expérimentales et de calcul. Elle a nécessité la collaboration de 7 chercheurs venant de 4 domaines différents (sciences de la Terre, chimie, physique, science des matériaux) affiliés à 6 universités de 4 pays dans le monde. Cette collaboration, initié à l’Institut de physique de globe de Paris (CNRS-INSU) sous la direction de Daniel R. Neuville, par Charles Le Losq (actuellement à l’Université Nationale Australienne), a permis de mettre à jour l’invisible au terme de plus de quatre années de travail. Ceci a nécessité la collaboration indispensable de Pierre Florian et Dominique Massiot du CEMHTI (CNRS-INC, Orléans), ainsi que de Neville Greaves de l’Université de Cambridge et de Wenlin Chen et Zhongfu Zhou de l’Aberystwyth Université en Grande Bretagne.
Les résultats fondamentaux obtenus pourraient affecter notre vie quotidienne très prochainement. Un des objectifs majeurs en science des matériaux est de produire des verres très résistants pour équiper les nouvelles technologies mobiles (téléphones, tablettes…). Avec cette nouvelle connaissance, les industriels pourraient être en mesure de produire des écrans plus résistants. En effet, la présence de clusters et chenaux d’atomes à l’échelle atomique influence grandement les propriétés du verre, contrôler la présence et la quantité de tels nano-arrangements pourrait donc permettre de modifier les propriétés des verres et produire ainsi de nouveaux verres plus résistants à la fracture mais aussi à la corrosion chimique.
En plus de ces propriétés, la présence de chenaux et clusters moléculaires influence la capacité des atomes à diffuser dans le verre, ce qui pourrait avoir une importance critique dans le cadre du stockage des déchets nucléaires à vie longue. En effet, les radionucléides sont stabilisés dans des matrices vitreuses, dont les propriétés (résistance à la corrosion, diffusivité des éléments…) sont critiques pour retenir les radionucléides le temps que leur activité radioactive atteigne des valeurs faibles. La présence de chenaux moléculaires pourrait affecter ces propriétés. Mélanger différents éléments en leur sein pourrait aider à diminuer la capacité de ces éléments à diffuser dans le verre. Cette étude montre ainsi comment la composition des verres influence la présence de tels nano-arrangements, permettant ainsi de trouver de nouveaux procédés pour produire des verres adaptés au stockage des déchets nucléaires.
En parallèle de ces intérêts industriels, les auteurs de l’étude s’intéressent également aux implications de ces découvertes sur les processus géologiques. Le refroidissement de la Terre il y a plus de 4 milliards d’années et de l’océan de magma présent à sa surface a mené à la cristallisation et à la formation du manteau et de la croute terrestre. Les propriétés physiques des roches fondues alumino-silicatées ont influencé ces évènements et influencent toujours la dynamique des éruptions volcaniques actuelles. Les données de cette étude améliorent ainsi notre compréhension et notre modélisation des variations des propriétés physiques des roches fondues, ce qui permettra de comprendre comment les roches fondues alumino-silicatées ont influencé l’histoire géologique de la Terre.
Réf :
Charles Le Losq, Daniel R. Neuville, Wenlin Chen, Pierre Florian, Dominique Massiot, Zhongfu Zhou & George N. Greaves, Percolation channels: a universal idea to describe the atomic structure and dynamics of glasses and melts, Scientific Reports 7, Article number: 16490 (2017), doi:10.1038/s41598-017-16741-3
