Comme au centre de la planète Uranus : comment les matériaux se comportent sous une pression extrême

Nov 17, 2023

Par Université de Bayreuth29 décembre 2022

Les structures et les propriétés des matériaux à des pressions et des températures extrêmement élevées sont encore largement « terra incognita ». Le professeur Leonid Dubrovinsky et ses partenaires de recherche utilisent une cellule à enclume en diamant à deux étages chauffée au laser qu'ils ont construite pour la synthèse de matériaux de l'ordre des térapascals (1 000 gigapascals). La diffraction des rayons X sur monocristal in situ est utilisée pour la caractérisation structurelle simultanée des matériaux. Crédit : Timofey Fedotenko

Une nouvelle méthode permet pour la première fois de rechercher et d’étudier la synthèse de matériaux dans la gamme térapascale.

Jules Verne could not have dreamed of this: A research team from the University of Bayreuth, together with international partners including scientists from the University of Cologne’s Department of Chemistry, has pushed the boundaries of high-pressure and high-temperature research into cosmic dimensions. They succeeded in generating and simultaneously analyzing materials under compression pressures of more than one terapascal (1,000 gigapascals) for the first time. Such extremely high pressures prevail, for example, at the center of the planet UranusUranus is the seventh farthest planet from the sun. It has the third-largest diameter and fourth-highest mass of planets in our solar system. It is classified as an "ice giant" like Neptune. Uranus' name comes from a Latinized version of the Greek god of the sky." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Uranus; elles sont plus de trois fois supérieures à la pression au centre de la Terre. Dans la revue Nature, les chercheurs présentent la méthode qu'ils ont développée pour la synthèse et l'analyse structurale de nouveaux matériaux.

Les modèles théoriques prédisent des structures et des propriétés très inhabituelles des matériaux dans des conditions de pression et de température extrêmes. Mais jusqu’à présent, ces prédictions n’ont pas pu être vérifiées dans des expériences avec des pressions de compression supérieures à 200 gigapascals. D’une part, des exigences techniques complexes sont nécessaires pour exposer des échantillons de matériaux à des pressions aussi extrêmes, et d’autre part, il manquait des méthodes sophistiquées pour des analyses structurelles simultanées. Les expériences publiées dans Nature ouvrent donc des dimensions complètement nouvelles pour la cristallographie à haute pression : il est désormais possible de créer et d’étudier en laboratoire des matériaux qui n’existent – ​​voire pas du tout – que sous des pressions extrêmement élevées dans l’immensité de l’Univers.

«La méthode que nous avons développée nous permet pour la première fois de synthétiser de nouvelles structures matérielles dans la gamme térapascale et de les analyser in situ, c'est-à-dire pendant que l'expérience est encore en cours. De cette façon, nous découvrons des états, des propriétés et des structures de cristaux jusqu’alors inconnus et pouvons approfondir considérablement notre compréhension de la matière en général. Des informations précieuses peuvent être obtenues pour l’exploration des planètes telluriques et la synthèse de matériaux fonctionnels utilisés dans des technologies innovantes », professeur Dr. Leonid Dubrovinsky de l’Institut bavarois de recherche en géochimie et géophysique expérimentales (BGI) de l’Université de Bayreuth, auteur principal de la publication.

In their study, the researchers show how they have generated and visualized in situ novel rhenium compounds using the now-developed method. The compounds in question are a novel rhenium nitride (Re7N3) and a rhenium-nitrogen alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> alliage. Ces matériaux ont été synthétisés sous des pressions extrêmes dans une cellule à enclume en diamant à deux étages chauffée par des faisceaux laser. La diffraction des rayons X sur monocristal synchrotron a permis une caractérisation chimique et structurelle complète.

« Le système rhénium-azote est plein de surprises chimiques. Cela a attiré notre attention il y a plusieurs années, lorsque nous avons produit un composé poreux inhabituel, le ReN10, à une pression d'un million d'atmosphères, ainsi qu'un conducteur métallique ultradur, le ReN2, capable de résister même à une compression extrêmement élevée. La synthèse à un térapascal nous a finalement permis d'avoir une image complète des transformations chimiques qui peuvent se produire dans le système Re-N dans des conditions extrêmes », a déclaré le Dr Maxim Bykov de l'Institut de chimie inorganique de l'Université de Cologne.