Des chercheurs dirigés par Sergey Lobanov du Centre de recherche allemand GFZ pour les géosciences ont développé une nouvelle méthode pour mesurer la densité du dioxyde de silicium (SiO₂ ) le verre, l'un des matériaux les plus importants de l'industrie et de la géologie, à des pressions allant jusqu'à 110 gigapascals, 1,1 million de fois supérieures à la pression atmosphérique normale. Au lieu d'utiliser des rayons X hautement focalisés dans une installation synchrotron, ils ont utilisé un faisceau laser blanc et une cellule à enclume en diamant. Les chercheurs rendent compte de leur nouvelle méthode simple dans le numéro actuel de Physical Review Letters .

En géosciences, la densité des minéraux, des roches et de la fonte à des pressions pouvant atteindre plusieurs millions d'atmosphères et des températures de plusieurs milliers de degrés est d'une importance critique car elle régit l'évolution planétaire à long terme ainsi que les processus volcaniques. Mais comment mesurer la densité d'un matériau dans des conditions aussi extrêmes ? Pour répondre à cette question pour un minéral cristallin ou une roche, les scientifiques utilisent la diffraction des rayons X avec laquelle on mesure l'espacement entre les atomes disposés périodiquement. Il y a cependant un problème si le matériau a une structure désordonnée, c'est-à-dire qu'il est non cristallin, comme des verres ou des roches en fusion. Dans ce cas, le volume de l'échantillon doit être mesuré directement - la densité d'un matériau est égale à sa masse divisée par le volume. Cependant, de telles mesures sont extrêmement difficiles à cause du faible volume de l'échantillon porté à haute pression. Auparavant, ces mesures nécessitaient des installations à rayons X à grande échelle et des équipements hautement spécialisés, ce qui coûtait très cher. Maintenant, une équipe dirigée par le scientifique Sergey Lobanov du Centre de recherche allemand GFZ pour les géosciences introduit une nouvelle méthode dans laquelle un laser de la taille d'une boîte à chaussures leur permet de mesurer le volume d'échantillons amenés à des pressions similaires à celles à la profondeur de plus plus de 2000 km sur la Terre.

À l'intérieur de la Terre, la roche est soumise à une pression incroyablement élevée, jusqu'à plusieurs millions de fois supérieure à la pression atmosphérique normale. Cependant, contrairement à une idée reçue, le manteau terrestre n'est pas liquide, mais solide. La roche se comporte de façon viscoplastique :elle se déplace centimètre par centimètre par an, mais elle éclaterait sous un coup de marteau. Néanmoins, les mouvements lents entraînent les plaques crustales et la tectonique de la Terre, qui à leur tour déclenchent le volcanisme. Les changements chimiques, par exemple, causés par l'eau expulsée des plaques crustales subductées, peuvent modifier le point de fusion de la roche de telle sorte que du magma en fusion se forme soudainement. Lorsque ce magma atteint la croûte terrestre et la surface, des éruptions volcaniques se produisent.

Densité des matériaux désordonnés

Aucun instrument au monde ne peut pénétrer dans le manteau terrestre pour étudier en détail de tels processus. Il faut donc s'appuyer sur des calculs, des signaux sismiques et des expériences en laboratoire pour en savoir plus sur l'intérieur de la Terre. Une cellule à enclume en diamant peut être utilisée pour générer les pressions et les températures extrêmement élevées qui y règnent. Les échantillons qui y sont explorés sont plus petits que la pointe d'une épingle. Leur volume est de l'ordre du nanolitre. Lorsque le matériau est comprimé sous des pressions aussi élevées, la structure interne change. Pour analyser cela avec précision, les rayons X sont utilisés sur les cristaux pour générer des diagrammes de diffraction. Cela permet de tirer des conclusions sur le volume du réseau cristallin et donc aussi sur la densité du matériau. Les matériaux non cristallins, tels que les verres ou les roches en fusion, ont jusqu'à présent gardé pour eux leurs secrets les plus intimes. En effet, pour les matériaux désordonnés, la diffraction des rayons X ne fournit pas d'informations directes sur leur volume et leur densité.

Astuce simple :mesure avec un laser au lieu d'un faisceau de rayons X

Grâce à une astuce simple, des chercheurs dirigés par Sergey Lobanov ont réussi à mesurer l'indice de réfraction et la densité du dioxyde de silicium (SiO₂ ) le verre, l'un des matériaux les plus importants de l'industrie et de la géologie, à des pressions allant jusqu'à 110 gigapascals. Il s'agit d'une pression qui règne à plus de 2 000 kilomètres de profondeur à l'intérieur de la Terre et qui est 1,1 million de fois supérieure à la pression atmosphérique normale. Les chercheurs ont utilisé un laser multicolore pour mesurer la luminosité de sa réflexion à partir de l'échantillon sous pression. La luminosité de la réflexion laser contenait des informations sur l'indice de réfraction, une propriété matérielle fondamentale qui décrit comment la lumière ralentit et se plie lorsqu'elle se déplace à travers le matériau, mais aussi la longueur du trajet du laser à l'intérieur de l'échantillon. Les matériaux avec un indice de réfraction et une densité élevés, tels que les diamants et les métaux, apparaissent généralement brillants et brillants à nos yeux. Au lieu de regarder les minuscules échantillons à l'œil nu, Lobanov et ses collègues ont utilisé un puissant spectromètre pour enregistrer les changements de luminosité à haute pression. Ces mesures ont donné l'indice de réfraction de SiO₂ verre et fourni des informations clés pour quantifier sa densité.

Importance de la mesure de la densité des verres pour les géosciences

"La Terre était une boule géante de roche en fusion il y a 4,5 milliards d'années. Pour comprendre comment la Terre s'est refroidie et a produit un manteau et une croûte solides, nous devons connaître les propriétés physiques des roches en fusion à une pression extrême. Cependant, l'étude de la fonte à haute pression est extrêmement difficile et pour contourner certains de ces défis, les géologues choisissent d'étudier les verres au lieu de la fonte.Les verres sont produits en refroidissant rapidement des fontes chaudes mais visqueuses.En conséquence, la structure des verres représente souvent la structure de la fonte à partir de laquelle ils ont été formés.Mesures précédentes de densité de verre à haute pression nécessitait de grandes et coûteuses installations synchrotron qui produisent un faisceau de rayons X étroitement focalisé qui peut être utilisé pour visualiser le minuscule échantillon dans une cellule à enclume de diamant.Ces expériences étaient difficiles et seules les densités de très peu de verres ont été mesuré à une pression de 1 million d'atmosphères. Nous avons maintenant montré que l'évolution du volume et de la densité de l'échantillon de tout verre transparent peut être ac mesuré avec soin jusqu'à des pressions d'au moins 110 GPa à l'aide de techniques optiques », explique Lobanov. "Cela peut se faire en dehors des installations synchrotron et est donc beaucoup plus facile et moins coûteux. Nos travaux ouvrent ainsi la voie à de futures études de verres qui se rapprochent de la fonte actuelle et ancienne de la Terre. Ces futures études apporteront de nouvelles réponses quantitatives sur l'évolution de la Terre primitive ainsi que les forces motrices des éruptions volcaniques."

Nouvelles possibilités pour l'étude des solides non cristallins, initialement non transparents

Parce que les échantillons sont extrêmement petits et donc ultra-minces, même les matériaux qui ressemblent à un bloc de roche en gros morceaux deviennent translucides. Selon les chercheurs, ces développements ouvrent de nouvelles possibilités pour étudier les propriétés mécaniques et électroniques des solides non cristallins qui apparaissent non transparents dans de plus grands volumes. Selon les auteurs de l'étude, leurs découvertes ont des implications considérables pour la science des matériaux et la géophysique. De plus, ces informations pourraient servir de référence pour les études informatiques des propriétés de transport des verres et des masses fondues dans des conditions extrêmes.

Lobanov souligne que ce type d'étude n'a été rendu possible que par l'environnement collégial au GFZ. Il dirige un Helmholtz Young Investigator Group appelé CLEAR dans la section "Chimie et Physique des Géomatériaux". "Nos capacités expérimentales pour sonder des échantillons à haute pression ne sont qu'une chose", déclare Lobanov, "au moins aussi importantes étaient les discussions avec des collègues d'autres sections, qui m'ont aidé à développer les idées et à les mettre en œuvre".