août 12, 2022

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Les propriétés des roches soumises à des pressions extrêmes sont difficiles à mesurer. Des scientifiques proposent une solution simple à un problème très difficile – ScienceDaily

Des chercheurs dirigés par Sergei Lobanov du Centre allemand de recherche géoscientifique GFZ ont développé une nouvelle méthode pour mesurer la densité du dioxyde de silicium (SiO).2) Le verre, l’un des matériaux les plus importants dans l’industrie et la géologie, est à des pressions allant jusqu’à 110 gigapascals, 1,1 million de fois plus élevées que la pression atmosphérique normale. Au lieu d’utiliser des rayons X hautement focalisés au synchrotron, ils ont utilisé un faisceau laser blanc et une cellule à enclume en diamant. Les chercheurs rendent compte de leur méthode nouvelle et simple dans le numéro actuel de Lettres d’examen physique.

Problème de mesure de densité dans des conditions extrêmes

En sciences de la Terre, la densité des minéraux et des roches et leur fusion à des pressions de plusieurs millions d’atmosphères et à des températures de plusieurs milliers de degrés sont d’une importance critique car elles régissent l’évolution planétaire à long terme ainsi que les processus volcaniques. Mais comment mesurer la densité d’une substance dans des conditions aussi extrêmes ? Pour répondre à cette question pour un minéral ou une roche cristalline, les scientifiques utilisent la diffraction des rayons X par laquelle on mesure l’espacement entre des atomes disposés périodiquement. Cependant, il y a un problème si le matériau a une structure irrégulière, c’est-à-dire non cristalline, comme le verre ou la roche fondue. Dans ce cas, le volume de l’échantillon doit être mesuré directement – la densité d’une substance est égale à sa masse divisée par le volume. Cependant, de telles mesures sont très difficiles en raison de la petite taille de l’échantillon à pression élevée. Auparavant, ces mesures nécessitaient de vastes installations de radiographie et un équipement hautement spécialisé, et étaient donc très coûteuses. Maintenant, une équipe dirigée par le scientifique Sergei Lobanov du Centre de recherche allemand GFZ pour les géosciences présente une nouvelle méthode dans laquelle un laser de la taille d’une boîte à chaussures permet le volume d’échantillons amenés à des pressions similaires à celles à plus de profondeur. A partir de 2000 km sur le terrain.

À l’intérieur de la Terre, les roches sont soumises à une pression incroyablement élevée, jusqu’à plusieurs millions de fois supérieure à la pression atmosphérique normale. Cependant, contrairement à la croyance populaire, le manteau terrestre n’est pas liquide, mais solide. La roche se comporte de façon plastique visqueuse : elle se déplace de quelques centimètres par an, mais elle explose sous un coup de marteau. Cependant, des mouvements lents font remonter les plaques crustales et tectoniques, qui à leur tour conduisent aux volcans. Les changements chimiques, par exemple, causés par la pression de l’eau des plaques crustales, peuvent modifier le point de fusion des roches de telle sorte qu’elles se forment soudainement à partir de magma en fusion. Lorsque ce magma pénètre dans la croûte terrestre et à la surface, des éruptions volcaniques se produisent.

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Densité du matériau turbulent

Aucun instrument au monde ne peut pénétrer le manteau terrestre pour étudier en détail de tels processus. Par conséquent, il est impératif de s’appuyer sur des calculs, des signaux sismiques et des expériences de laboratoire pour en savoir plus sur l’intérieur de la Terre. Une cellule à enclume en diamant peut être utilisée pour générer des pressions et des températures extrêmement élevées qui y règnent. Les spécimens qui y sont explorés sont plus petits qu’une pointe d’épingle. Son volume est de l’ordre du nanolitre (par exemple au moins 10 millions de fois inférieur à 1 millilitre). Lorsque les matériaux sont comprimés sous ces hautes pressions, la structure interne change. Pour analyser cela avec précision, les rayons X sur les cristaux sont utilisés pour générer des diagrammes de diffraction. Cela permet de tirer des conclusions sur la taille du réseau cristallin et donc aussi sur la densité du matériau. Les matériaux non cristallins, tels que le verre ou la roche en fusion, ont jusqu’à présent gardé leurs secrets. En effet, la diffraction des rayons X par rapport aux matériaux désordonnés ne fournit pas d’informations directes sur leur taille et leur densité.

Astuce simple : Mesurer 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 (SiO).2) Le verre, l’un des matériaux les plus importants de l’industrie et de la géologie, avec des pressions allant jusqu’à 110 GPa. Il s’agit d’une pression qui règne à plus de 2 000 km 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 compressé. La luminosité de la réflexion du laser contenait des informations sur l’indice de réfraction, une propriété fondamentale d’un matériau qui décrit comment la lumière ralentit et se plie lorsqu’elle traverse le matériau, ainsi que décrit la longueur du trajet du laser dans l’échantillon. Les matériaux à indice de réfraction élevé et à haute densité, tels que le diamant et le métal, apparaissent brillants et brillants à nos yeux. Au lieu de regarder de petits échantillons à l’œil nu, Lobanov et ses collègues ont utilisé un spectromètre puissant pour enregistrer les changements de luminosité à haute pression. Ces mesures ont donné l’indice de réfraction de SiO2 Le verre a fourni des informations de base pour déterminer sa densité.

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Importance de la mesure de la densité du verre pour les sciences de la terre

« La Terre était une boule géante de roche en fusion il y a 4,5 milliards d’années. Pour comprendre comment la Terre se refroidit et produit un manteau et une croûte solides, nous devons connaître les propriétés physiques de la roche en fusion à haute pression. Cependant, étudier la fusion à haute pression est très difficile et à relever.Certains de ces défis, les géologues choisissent d’étudier le verre plutôt que de le faire fondre.Les verres sont produits par refroidissement rapide de matière fondue chaude mais visqueuse.En conséquence, la structure du verre représente souvent la structure de la matière fondue à partir de laquelle il a été formé.Les mesures précédentes de la densité du verre à haute pression nécessitaient de grandes installations synchrotron et coûteuses qui produisent un faisceau de rayons X très focalisé qui peut être utilisé pour projeter un petit échantillon dans une cellule à enclume de diamant.Ce sont des expériences difficiles et avait très peu de densité de verre mesurée à une pression d’un million d’atmosphères. Nous avons maintenant montré que l’évolution de la taille de l’échantillon et de la densité de tout verre transparent peut être mesurée avec précision jusqu’à des pressions d’au moins 110 gigapascals à l’aide de techniques optiques », déclare Lobanov. « Cela peut être fait en dehors des installations synchrotron et est donc beaucoup plus facile et moins coûteux. Ainsi, nos travaux ouvrent la voie à de futures études de lunettes qui se rapprochent de la fonte de la Terre actuelle et à long terme. Ces futures études fourniront de nouvelles réponses quantitatives sur l’évolution précoce de la Terre ainsi que les forces motrices derrière les éruptions volcaniques. »

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De nouvelles possibilités pour étudier les solides initialement amorphes et opaques

Parce que les spécimens sont si petits et donc très fins, le matériau qui ressemble à un bloc de roche en gros morceaux devient transparent. Selon les chercheurs, ces développements ouvrent de nouvelles possibilités pour étudier les propriétés mécaniques et électroniques des solides non cristallins qui apparaissent opaques à 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 peuvent servir de référence pour les études informatiques des propriétés de transfert et de fusion du verre dans des conditions extrêmes.

Lobanov affirme que ce type d’étude n’a été possible que dans l’environnement collectif du GFZ. Il dirige le Helmholtz Young Investigator Group appelé CLEAR au sein du Département de chimie et de physique des matériaux terrestres. « Nos capacités expérimentales pour examiner des échantillons sous haute pression ne sont qu’une chose, au moins aussi importante que les discussions avec des collègues d’autres départements, qui m’ont aidé à développer et à mettre en œuvre les idées », déclare Lobanov.