(PhysOrg.com) -- La congélation de suspensions de particules n'est pas toujours un phénomène uniforme; elle conduit dans certaines conditions à une modification de la redistribution des particules et de la croissance des cristaux.

Ces résultats ont été obtenus par des chercheurs du Laboratoire de Synthèse et Fonctionnalisation des Céramiques et du Laboratoire Matériaux, Ingénierie et Sciences, La France, en observant, par imagerie aux rayons X à l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), le mouvement des particules pendant leur congélation. Leurs travaux pourraient permettre non seulement de développer des matériaux poreux aux propriétés spécifiques mais aussi de mieux comprendre les mécanismes de gel des sols en hiver, qui peut avoir un impact considérable sur les plantes, routes et artères. Ces résultats ont été publiés en ligne dans la revue Matériaux naturels le 8 novembre 2009.

Quel est le lien entre la formation de glace de mer aux pôles, sols gelés en hiver, cryoconservation des cellules, glaces et synthèse de matériaux composites ? Toutes ces situations impliquent la propagation d'une interface de solidification et sa rencontre avec des particules, micro-organismes ou bulles en suspension dans un liquide. Bien que le phénomène puisse être décrit en quelques mots, son mécanisme et son contrôle restent cependant extrêmement complexes et encore loin d'être parfaitement compris.

Jusqu'à maintenant, des études ont simplifié le problème en ne considérant qu'une seule particule devant une interface plane se propageant à faible vitesse. Dans la plupart des situations cependant, l'interface se propage rapidement, n'est pas plat, il existe une multitude de particules et les nombreuses interactions entre les particules jouent un rôle considérable sur le comportement du système. Le comportement de l'interface dans ces conditions, critique dans de nombreuses applications, est encore mal connue pour la plupart et difficile à observer expérimentalement, puisque les phénomènes se déroulent à de petites échelles dimensionnelles et à grande vitesse.

Les chercheurs ont abordé le problème en utilisant l'imagerie par rayons X. Ils ont bénéficié d'un accès pendant plusieurs jours à l'Installation Européenne de Rayonnement Synchrotron (ESRF) à Grenoble, dont une ligne (ID19) dédiée à l'imagerie radiographique.

En congelant une suspension concentrée de particules de céramique, les chercheurs ont pu observer in situ la croissance des cristaux de glace et le mouvement des particules lors de la congélation. Ils ont ensuite obtenu une image tridimensionnelle des cristaux de glace après congélation en exploitant les différences d'absorption des rayons X entre la glace et les particules. Les chercheurs ont alors pu démontrer que, sous certaines conditions, l'interface "saute", en accélérant de manière ponctuelle et en modifiant la redistribution des particules et la croissance des cristaux. Ils expliquent ce résultat par un retour systématique de l'interface à l'équilibre lorsqu'on lui laisse le temps de le faire, ce qui est extrêmement intéressant pour les chercheurs en science des matériaux.

Le phénomène de congélation peut en effet être utilisé pour développer des matériaux poreux avec des structures biomimétiques spécifiques, dont les propriétés mécaniques semblent particulièrement prometteuses pour une large gamme d'applications dans l'énergie, domaines de la chimie et de la biologie. Ainsi, lorsque l'interface se propage de manière irrégulière, de nombreux défauts apparaissent qui fragilisent la structure, qui affectent considérablement ses propriétés finales. Ces résultats fournissent ainsi la clé pour travailler dans des conditions où de tels défauts sont absents et jettent un nouvel éclairage sur les mécanismes naturels de congélation. En réalité, le gel des sols en hiver a des conséquences assez considérables sur les plantes et les routes. La formation de glace de mer, où le sel et les micro-organismes sont expulsés entre les cristaux de glace, joue un rôle important dans les échanges thermiques entre l'atmosphère et les océans.

Plus d'information: Solidification cellulaire métastable et instable de suspensions colloïdales ; S. Deville, E. Maire, G. Bernard-Granger, A. Lasalle, A. Bogner, C. Gauthier, J. Leloup, C. Guizard, Matériaux naturels , 8 novembre 2009. doi:10.1038/nmat2571" target="_blank"> dx.doi.org/doi:10.1038/nmat2571

Fourni par le CNRS