Visualiser la texture de la glace soumise à de très fortes pressions30 novembre 2015

Prédire la survenue de séismes ou comprendre les phénomènes de transport de matière dans le manteau terrestre ou sur d’autres planètes implique de caractériser avec précision des échantillons de matière soumise à des conditions extrêmes (textures morphologiques, élasticité et orientations locales des composants du matériau). Pour obtenir ce type de résultats, les chercheurs doivent disposer d’un arsenal technique complexe, difficile à mettre en place au laboratoire. Les modèles utilisés pour prédire la déformation de la matière dans des conditions extrêmes se basent ainsi sur des mesures obtenues par des méthodes classiques. Mais sont-elles finalement fiables et représentatives de la réalité ?

Les chercheurs du Laboratoire d'acoustique de l'Université du Maine (LAUM, CNRS/Université du Maine), de l’Institut des molécules et matériaux du Mans (IMMM, CNRS/Université du Maine) et du Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux (LSPM, CNRS) se sont associés avec un objectif commun : mettre au point une nouvelle technique pour visualiser et analyser des échantillons de matière comprimée à des ultra-hautes pressions proches du million d’atmosphères (1 Méga-Bar ou 1 million de Bars). Ils ont étudié un échantillon d’eau glacée disposé dans une cellule à enclumes statiques de diamant (DAC pour « diamond anvil cell »), seul dispositif actuellement capable d’atteindre des pressions aussi élevées. Ils ont appliqué sur cet échantillon la technique de « l’acoustique picoseconde » qui utilise des impulsions laser ultra-brèves pour générer puis détecter des ultrasons dans un matériau, ces derniers étant sensibles aux caractéristiques micro-mécaniques du matériau. Les signaux temporels de réflectivité optique permettent la réalisation in-situ d’une imagerie 3D en déplaçant la DAC par rapport aux lasers focalisés.

Cette nouvelle technique d’imagerie (basée sur la diffusion de Brillouin résolue en temps) dépasse les limitations des méthodes habituelles (diffraction de rayons X et microscopie par diffusion Brillouin stationnaire). Grâce à elle, les chercheurs ont révélé pour la première fois les caractéristiques de la nature micro-cristalline de l’eau glacée et de sa texture, à des échelles micronique et submicronique (inférieur au micron soit 10-6 m). Ils sont parvenus à mesurer pour chaque cristallite (ou groupe de cristallites) d’un agrégat transparent et homogène chimiquement, l’orientation et les paramètres élastiques le long de la direction de propagation du son. Une telle résolution n’était pas disponible auparavant pour des matériaux micro-cristallins, même aux conditions ambiantes de température et de pression.

Ces résultats posent les bases de modèles micromécaniques de déformation de solides soumis à de très hautes pressions. A plus long terme, de telles expériences menées sur des minéraux à basses ou hautes températures permettraient de réaliser des progrès significatifs dans la compréhension des phénomènes de convection dans le manteau terrestre (à une profondeur d’environ 2000 km, la pression est de 84 GPa) ou sur d’autres planètes. Les résultats des mesures obtenues par ces techniques pourraient également intéresser la communauté des géophysiciens pour le suivi ou la prédiction de séismes.

© LAUM


Principes physiques de la technique mise au point par les chercheurs du LAUM, IMMM et LSPM. Une impulsion laser picoseconde (un millième de milliardième de seconde) dite « de pompe » excite, dans une couche métallique opaque, une impulsion acoustique ultra-brève qui se propage ensuite dans le matériau transparent testé. Une autre impulsion laser picoseconde dite « de sonde » est envoyée avec un retard variable par rapport à l'impulsion laser de pompe dans le matériau transparent. L'impulsion sonde est réfléchie par les différentes interfaces stationnaires entre les matériaux, mais aussi par l'impulsion acoustique elle-même, qui se propage et joue le rôle d'un réflecteur mobile. Le signal obtenu contient des informations sur les paramètres acoustiques, optiques et acousto-optiques du matériau à l'endroit où l'impulsion acoustique de quelques dizaines de nanomètres de long est localisée à un instant « t ». L'imagerie multidimensionnelle peut être réalisée en déplaçant la DAC par rapport aux lasers de pompe et de sonde focalisés.


Références :
Sergey M. Nikitin, Nikolay Chigarev, Vincent Tournat, Alain Bulou, Damien Gasteau, Bernard Castagnede, Andreas Zerr, and Vitalyi E. Gusev
Revealing sub-μm and μm-scale textures in H2O ice at Megabar pressures by time-domain Brillouin scattering
Scientific Reports, Volume 5, Article No.: 9352
DOI: 10.1038/srep09352

 

Contacts chercheurs :
Laboratoire d'acoustique de l'Université du Maine (LAUM)
Vitalyi Gusev (vitali.goussev @ univ-lemans.fr), Vincent Tournat (vincent.tournat @ univ-lemans.fr)

Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux (LSPM)
Andreas Zerr (zerr @ univ-paris13.fr)

Institut des molécules et matériaux du Mans (IMMM)
Alain Bulou (alain.bulou @ univ-lemans.fr)

 

Contact communication INSIS :
Muriel Ilous (muriel.ilous @ cnrs-dir.fr)