Les Axes de Recherches

1. Sciences de la Terre et des planètes et sciences de l'environnement

A. Formation et évolution des minéraux dans le système solaire.
B. Les minéraux témoins de l'évolution dynamique de la Terre.
C. Bio-minéralisations.
D. Minéralogie environnementale.
E. Matériaux minéraux, matières premières minérales et énergétiques.
F. Collections de minéraux en Ile de France

Cet axe a des interactions avec les Axes 3 (Surfaces) et 5 (Patrimoine).

2. Nouveaux oxydes à propriétés remarquables et hétérostructures

A. Compréhension et recherche de nouveaux matériaux.
B. Films minces d'oxydes fonctionnels.

Les oxydes à base de métaux de transition et de terres rares présentent une grande diversité de phénomènes physiques aux propriétés fondamentales remarquables (supraconductivité, magnétorésistance géante, couplages de paramètres d'ordre électrique et magnétique, liquides de spin, monopoles magnétiques), apparus dans les 25 dernières années. Ces comportements originaux sont sous-tendus par de fortes corrélations quantiques associées aux degrés de liberté électroniques ou de spins et dont la compréhension représente un enjeu majeur qui préside à toute application. La possibilité de varier les structures, les compositions, le recours possible à des synthèses sous fortes pressions, en couches minces, des irradiations... font des oxydes une mine inépuisable de nouvelles propriétés fondamentales et de nouvelles fonctionnalités. Outre les synthèses de nouveaux matériaux, c'est un domaine qui requiert à la fois de nouvelles approches et méthodes théoriques, de nouveaux concepts physiques, des techniques expérimentales innovantes.

3. Surfaces et réactivité

A. Connaissance fondamentale.
B. Catalyse.
C. Corrosion.
D. Synthèse.

Les archétypes des substrats isolants sont les oxydes. Ils sont omniprésents, à la fois dans l'environnement et les objets manufacturés, ne serait-ce que par le fait - désiré ou non - que la plupart des métaux se couvrent d'oxydes au contact du milieu ambiant. Les oxydes communs touchent à des domaines variés. La silice, par exemple, est un substrat modèle pour les sciences de la Terre et de l'Environnement ; c'est aussi un support de catalyseur, le constituant principal des compositions verrières, le matériau qui forme les films isolants ou les couches barrière des composants électroniques. Encline par tradition à opérer sous vide sur des substrats métalliques ou semi-conducteurs dans des conditions académiques, la recherche sur les surfaces est confrontée aux substrats isolants, aux pressions variées et aux interfaces avec l'ambiante. Toujours active dans les domaines où la manipulation dans des conditions contrôlées est un art obligé, comme la microélectronique ou la catalyse, cette recherche se tourne vers des secteurs moins habituels, comme les revêtements optiques ou protecteurs, les sciences de la terre, de la vie et de l'environnement, la protection de notre Patrimoine. Cet Axe est un lieu d'échange actif entre des communautés très diverses, avec un fort pouvoir fédérateur.

A. Connaissance fondamentale.
La surface des oxydes présente des propriétés électroniques, magnétiques et réactives spécifiques, dues en particulier à la flexibilité des stœchiométries, aux écrantages incomplets interactions à longue portée qui ne sont pas écrantées dans les isolants et à l'existence d'orientations à forte polarité potentielle. Ces surfaces offrent nombre de conditions de synthèse et de fonctionnalisation, aux interfaces avec les gaz, les liquides, les milieux naturels inorganiques ou biologiques. Les oxydes ont aussi un impact essentiel dans leurs interactions avec les molécules du vivant, avec des retombées importantes pour les biotechnologies, les technologies médicales, en chimie prébiotique (origines du vivant) et en chimie environnementale. Les matériaux cimentaires, en raison de leur faible cristallinité, posent des problèmes spécifiques ; au travers du partenariat qui sera rendu possible par la mise en place de ce réseau, on peut s'attendre à des avancées importantes dans la compréhension des mécanismes de réactivité des composés de type CSH qui sont à la base des propriétés des bétons. De façon générale, on doit intensifier le couplage des techniques de caractérisation de surface avec des approches électrochimiques ainsi que le soutien théorique par les moyens du calcul quantique (simulation numérique ab initio, dynamique moléculaire), présent dans toutes les activités (LCT, INSP, LRS, IMPMC, ILV, LPCS, DPC, LAMBE).

B. Catalyse.
La catalyse hétérogène joue un rôle primordial pour rendre la chimie plus propre en cherchant à réduire le coût énergétique et la formation de sous-produits inutiles et/ou toxiques lors d’une transformation chimique. Dans ce domaine, les oxydes sont très largement présents du fait de leurs propriétés acido-basiques et/ou redox, au cœur des processus d’activation chimique. Les oxydes impliqués sont très divers (silices, alumines, oxydes alcalins ou alcalino-terreux, oxydes de terres rares et de métaux, zéolithes, argiles, hydrotalcites, hydroxyapatites…) ; ils interviennent sous des formes variées (massiques, poreux, divisés…) et constituent, selon les cas, soit la phase active elle-même, soit un support sur lequel cette dernière est stabilisée et dispersée en vue de maximiser le nombre de sites actifs. Ces mêmes oxydes ont aussi un impact essentiel vis-à-vis de leurs interactions avec les molécules du vivant, avec des retombées importantes pour les biotechnologies, les technologies médicales ou pour le champ plus spéculatif de la chimie prébiotique (origines du vivant). L’activité des oxydes en catalyse hétérogène et pour des applications biologiques se révèle riche de potentiel puisque les mêmes sites actifs de surface sont impliqués dans des conditions différentes. Son étude repose sur l’utilisation d’outils spectroscopiques dans des conditions "réelles", pour accéder à une compréhension précise des sites actifs pour suivre l’interaction avec le vivant. Ces approches expérimentales, analytiques et théoriques permettent d'élaborer des modèles décrivant le continuum "Matériaux / sites actifs / réactifs" et le fonctionnement de ces systèmes complexes (LCT, LRS, LSPM, PMC).

C. Corrosion.
La compréhension des mécanismes de corrosion et de protection contre la corrosion des matériaux métalliques dans les conditions d'usage est cruciale dans les domaines de l'énergie, de la construction, du transport et de la santé. Ce thème concerne également les Axes 4 et 5, la formation d'oxydes lors de l'oxydation des métaux affectant leur tenue en usage dans les constructions et les structures. L'influence des éléments d'alliages ou d'ajouts dans le substrat métallique sur les propriétés des films d'oxydes est étudiée ainsi que celle des espèces chimiques dans l'environnement (eau, chlorures, molécules organiques, molécules d'intérêt biologique). Les techniques de caractérisation de surface spectroscopiques et microscopiques sont couplées avec à des techniques électrochimiques (DPC, ILV, LAMBE, LPCS, LRMH).

D. Synthèse.
L'activité de synthèse vise au développement de surfaces ou interfaces spécifiques pour leurs propriétés réactives (en particulier catalyse) catalyse, de transport ou d'adhésion (revêtements optiques ou protecteurs). Les objectifs sont ici la synthèse d'objets modèles pour la compréhension ou la synthèse d'objets nouveaux (ICMMO, ILV, LEMHE, LRS, PMC, SVI).

4. Verres et matériaux irradiés

A. Les aspects fondamentaux de l'état vitreux.
B. Les verres technologiques.
C. Les matériaux nucléaires et le stockage des déchets nucléaires.

A. Les aspects fondamentaux de l'état vitreux
La nature des verres, les relations structure-propriétés, les transformations structurales sous l'effet de forçages externes, continuent de susciter un grand intérêt. Parmi les objectifs du réseau, on peut mentionner :
- compréhension du "polyamorphisme". Le consortium présent dans ce DIM développe des approches expérimentales et théoriques de grande actualité sur ces transformations amorphe-amorphe sous les effets de la pression et/ou de la température, ainsi que sur les trajets en pression-température utilisés pour faire des verres originaux. Au travers de SOLEIL et du LLB, avec des réseaux instrumentaux de premier plan, notamment au niveau des approches spectroscopiques, et un couplage expérimentation-modélisation, la région dispose d'un potentiel considérable permettant des mesures à haute température et/ou haute pression. Cette démarche originale devrait conduire à des matériaux nouveaux. (IMPMC, LPTMC, SVI)
- la détermination de la structure des verres se base largement sur les grands instruments (SOLEIL, LLB) ainsi que sur une large gamme de simulations numériques. La possibilité d'élaborer des modèles structuraux incorporant plusieurs milliers d'atomes devrait permettre de maîtriser des propriétés clés comme la résistance mécanique ou la durabilité chimique. On peut ainsi identifier les paramètres structuraux pertinents et les connecter à des propriétés spécifiques des verres. La détermination directe de la structure des liquides fondus à haute température est désormais accessible, ouvrant ainsi un champ nouveau de connaissances (IMPMC, LPTMC, LCMCP, LSDRM, LMCM, SVI, ICMMO)
- Processus de cristallisation et transformation verre-cristal. Il s'agit notamment de mieux comprendre les premiers stades de nucléation qui voient l'apparition de structures cristallines et sont évidemment cruciaux pour contrôler l'élaboration des vitrocéramiques. La mise en évidence récente d'une auto-organisation du verre avant l'apparition des premières phases nano-cristallines peut expliquer les écarts de plusieurs ordres de grandeur dans la vitesse de croissance cristalline, observés entre théorie et expérience. Ceci peut ouvrir la voie à de nouvelles vitrocéramiques. (IMPMC, LMCM)

B. Les verres technologiques
L'importance de la recherche verrière en Île-de-France justifie d'intensifier les coopérations avec le milieu universitaire. La fonctionnalisation de la surface des verres par le dépôt de couches voire de textures ou structures permet de combiner des procédés d'élaboration du verre qui restent "normaux" tout en obtenant des propriétés finales avancées. Ce thème est fortement lié aux Axes 2 et 3. Au niveau environnemental, des économies d'énergie lors de l'élaboration sont envisagées en intégrant la complexité du milieu (fusion d'un milieu granulaire hétérogène) et en améliorant les modèles de transferts de chaleur dans les fours. La qualité des matières premières (Axe 1.E) détermine aussi les performances des matériaux (IMPMC, SVI)

C. Les oxydes pour le nucléaire
- Matériaux nucléaires. La modélisation de la corrosion des alliages pour combustibles, la création des défauts dans les matériaux d'intérêt nucléaire nécessitent de prédire le comportement des oxydes dans un environnement nucléaire et l'incidence de ces défauts sur les propriétés mécaniques. La région possède un potentiel unique au monde de par la densité et la diversité des compétences. Des outils d'irradiation originaux comme JANNUS (CSNSM, Orsay) ou SIRIUS (LSI, École Polytechnique) permettent de quantifier les mécanismes d'irradiation des matériaux. L'utilisation d'une large gamme d'instruments d'observation ainsi que d'outils numériques adaptés permet de comprendre la structure réelle des matériaux irradiés, la spécificité isolante de la plupart des oxydes leur donnant des propriétés originales lors de l'irradiation. Les observations récentes montrent une certaine similitude entre les transformations à haute pression/température et les processus d'irradiation dans les matériaux: il est certain que la nature pluridisciplinaire de ce DIM amènera des progrès importants dans cette direction originale. Le vieillissement sous irradiation des matériaux pour l'optique est également une thématique de grande actualité et permettra une coopération entre équipes (SRMA, LCMCP, LSI, CSNSM, IMPMC)
- Stockage des déchets nucléaires. La modélisation du stockage géologique des déchets de haute activité fait intervenir les oxydes au niveau des verres nucléaires, de la corrosion des containers métalliques, de la barrière ouvragée et du champ proche, ou du rôle de l'encaissant géologique et du champ lointain. La qualité des matrices de stockage doit tenir compte des modifications nécessitées par les impératifs du stockage ainsi que par l'évolution des combustibles irradiés. Au niveau sécurité, il convient de renforcer la durabilité chimique des verres dans les conditions de stockage. La prédiction des propriétés des verres de nouvelle génération sur des durées de temps importantes nécessite de comparer des verres modèles et des compositions technologiques, de maîtriser les relations structure-propriété dans les verres et les silicates fondus et de quantifier l'influence de l'irradiation. On peut mentionner la stabilité thermique et l'homogénéité chimique des verres à différentes échelles, les mécanismes d'incorporation des produits de fission dans des matrices de nouvelle génération, la fracturation des verres qui modifie l'interface avec le milieu géologique ou encore les propriétés des interfaces verres nucléaires/solutions aqueuses. L'utilisation des verres historiques ou volcaniques comme analogues naturels sera explorée grâce à la nature pluridisciplinaire unique de ce DIM (IMPMC, LCMCP, LG-ENS, LMCM, LSDRM, PMC, LPTMC, LISA, DPC, LAMBE)

5. Matériaux du Patrimoine

A. Pierres, mortiers, enduits.
B. Pigments.
C. Vitraux.
D. Oxydation/altération des métaux; béton armé.

Les matériaux oxydes sont des constituants importants du patrimoine bâti, pierres de construction, mortiers, bétons, peintures et polychromies, vitraux, ainsi que des objets conservés dans les musées (sculptures, glaçures, pigments, minéraux, fossiles...), et du patrimoine archéologique (grottes ornées…) . La recherche sur le patrimoine matériel s’intéresse à la signification culturelle des œuvres, aux matériaux et techniques utilisés pour les réaliser, aux phénomènes d’altération et aux moyens de prévention et de remédiation les plus respectueux de la matière originale et les plus durables.

A. Pierres, mortiers, enduits.
L'altération des façades monumentales est une conséquence de l'interaction entre dissolution/cristallisation, processus redox et activité biologique (Thème 1-E). On peut également citer l'utilisation de bio-mortiers et de couches bioprotectrices pour des restaurations (cf 1.C), permettant de développer de nouveaux produits pour le bâtiment. Dans le domaine du nettoyage par laser des croûtes noires liées à la pollution atmosphérique, un jaunissement des surfaces se produit. Par ailleurs, les roches gréseuses peuvent évoluer vers des décolorations localisées, avec le développement d’une patine dont la formation est un enjeu pour la substitution de pierres dégradées dans un contexte de restauration prédictive. Dans ces deux cas, la compréhension de ces phénomènes pénalisants passe par la caractérisation des surfaces, en laboratoire et sur le terrain. La dégradation des oxydes concerne également la conservation et la restauration des grottes ornées, témoins uniques de notre patrimoine le plus ancien. En effet, les pigments d'oxydes de fer et de manganèse étaient utilisés par les peintres préhistoriques afin de réaliser les œuvres, mais peuvent également être à l’origine de taches colorées sur les parois des cavités. Il convient de pouvoir les discriminer in situ. La variation de leur degré d’oxydation peut entraîner un changement de couleur et une perte d’information archéologique nécessitant de déterminer leur stabilité. (LRMH, LISA, CAC)

B. Pigments.
L'identification des matériaux qui entrent dans la palette colorée des œuvres d’art (pigments minéraux, marbres, pierres précieuses...) ou des façades monumentales et l'étude des effets visuels et de l'apparence des matières colorantes et des surfaces bénéficieront de l'expertise du réseau, au travers de méthodes optiques, structurales ou spectroscopiques. En dehors de l'importance au niveau de la conservation et la restauration des œuvres, ces connaissances permettent de mieux connaître le contexte socio-économique et les circuits commerciaux à l'origine des œuvres. De plus, sous l’effet de facteurs environnementaux divers, certains pigments peu stables comme les pigments à base d’oxydes métalliques changent de couleur et les œuvres s’en trouvent fortement perturbées. Une meilleure connaissance des phénomènes mis en jeu permettra des solutions de reconversion adaptées et respectueuses des matériaux en place. (C2RMF, CRCC, LRMH, CAC)

C. Vitraux.
Plusieurs équipes sont impliquées dans l'étude du vitrail médiéval selon des approches archéologiques, stylistiques et scientifiques, avec un rôle actif au sein du "Corpus Vitrearum International". Le réseau amène une interaction originale entre "sciences dures" et histoire de l'art, les observables physico-chimiques complétant les informations sur l'approche diachronique de l'histoire de la fabrication du verre, au travers des méthodes de l'histoire de l'art et de l'archéologie. Ceci donnera une opportunité unique de saisir les étapes de l'évolution technologique du vitrail en Île-de-France. La conservation et la restauration de ces pièces historiques uniques, dont la région Île-de-France possède un patrimoine exceptionnel (Sainte-Chapelle: verrières des XIIIe et XVe siècles; cathédrale de Saint-Denis: verrières du XIIe siècle), constituent aussi un enjeu majeur: la restauration et la conservation des vitraux passent par une connaissance des impacts environnementaux sur la dégradation des verres et des grisailles, peintures vitrifiables à base d’oxydes de fer ou de cuivre, appliquées à la surface des verres. Ceci demande des méthodes analytiques adaptées à la préservation de l'intégrité de l'œuvre et à la résolution spatiale imposée par l'hétérogénéité des processus d'altération. La région Île-de-France dispose avec la plate-forme IPANEMA (SOLEIL) ou avec l'accélérateur AGLAÉ d'outils de réputation internationale. Des interactions importantes sont attendues avec le secteur industriel (LRMH, CAC, IMPMC, LMCM, LISA)

D. Métaux et béton armé.
Le métal est omniprésent dans la construction ancienne, que ce soit en renfort structurel dans l’architecture gothique, en structure porteuse dans les vitraux, en ouvrage architectural à partir de l’ère industrielle. Les oxydes jouent un rôle majeur dans les phénomènes de corrosion du fer, du cuivre ou du plomb, compromettant gravement leur conservation et celle de l’ouvrage dans lequel ils s’insèrent. Une attention particulière sera portée aux ouvrages de couverture en plomb et en zinc, notamment à Paris, leur corrosion pouvant avoir un impact sur la conservation des bâtiments et sur l’environnement (dissémination des métaux lourds). La détermination des mécanismes de corrosion bénéficiera des interactions avec l'Axe 3, permettant d'avancer dans des approches préventives.
Le béton est un matériau poreux qui interagit fortement avec l’environnement. La pollution industrielle ou urbaine favorise aussi bien la formation de croûtes noires que le processus de carbonatation. Ce dernier est l’une des sources majeures d’altération des bétons anciens conduisant à la corrosion des armatures. La compréhension de la nature et de la formation de ces oxydes et de son impact sur la matrice cimentaire est d’un intérêt majeur pour la prédiction de la dégradation des bétons. Elle doit permettre l’évaluation de traitements de conservation tels que la realcalinisation électrochimique. (LRMH, LISA, PPMD)

6. Caractérisations avancées

Les avancées majeures dans la compréhension des oxydes et leur utilisation s'appuient sur les développements récents de méthodes structurales et chimiques. L'IdF se trouve dans une position exceptionnelle, car elle possède une concentration unique d'instruments, qui la place dans une situation d'avant-garde au niveau mondial, grâce à l'association de la source de neutrons LLB, de la source de rayonnement synchrotron SOLEIL, de l'accélérateur AGLAE au C2RMF, et d'un ensemble instrumental de premier plan qui a été largement acquis grâce au soutien de la région IdF et des organismes: microscopes électroniques (réseau francilien de microscopie électronique), sondes ioniques (SIMS, nanoSIMS et sonde 3F: instrument national INSU/MNHN; SIMS haute résolution du GEMAC/UVSQ, microsondes électroniques et préparations de sections minces par Focused Ion Beam (FIB) (également instrument national INSU/IMPMC), réseau RMN, analyse de surfaces et films (XPS et Auger) … On peut également citer les accélérateurs pour irradiation (SIRIUS au LSI, JANNUS au CSNSM). Cette panoplie de moyens mi-lourds est complétée par une large gamme d'instruments permettant l'étude des structures de matériaux réels (visualisation des défauts et impuretés) ou encore de méthodes spectroscopiques donnant accès à la structure électronique des solides et de leur surface. La mesure des propriétés physiques et chimiques des matériaux aux différentes échelles (mesures de transport, mesures magnétiques…) permettra d'aboutir à une meilleure compréhension des oxydes dans leurs fonctions décrites dans les Axes 1 à 5. De même que sur les grands instruments décrits ci-dessous, on assiste à l'utilisation de plus en plus fréquente d'environnements spécifiques: hautes pressions et/ou hautes températures, impliquant la possibilité d'étudier des matériaux fondus, mesure sous vide ou atmosphère contrôlée, mesures sous champ électrique ou magnétique…
Comme il est souligné en Introduction, les grands instruments servent de support à la majorité des équipes participant au projet, ce qui donne une grande homogénéité instrumentale. Le LLB est une source de neutrons de choix pour accéder à l'ordre magnétique et aux excitations de spin et de réseau (dans les échantillons massifs ou en couches minces). Il est également utilisé pour l'étude structurale des verres, et plus récemment des milieux fondus d'intérêt géophysique. Le synchrotron SOLEIL permet aussi d'utiliser de nombreuses méthodes (EXAFS/XANES, diffraction X, diffusion inélastique, spectroscopie infrarouge, photoémission angulaire, microscopie à rayons X). Associées à l'utilisation d'environnements variés (voir plus haut) et utilisant des entités parallèles (comme le laboratoire hautes pressions et le centre de spectroscopie théorique), intégrant des projets novateurs comme les sources laser femtoseconde, ces approches permettent d'accéder à des domaines de grande actualité: structure et propriétés électroniques des couches minces et des surfaces d'oxydes, propriétés des oxydes magnétiques, multiferroïques et ferroélectriques, oxydes fortement corrélés, phases de haute pression d'intérêt géophysiques, verres et transition vitreuse…. Ces installations joueront un rôle important dans la structuration et dans la coordination de ce DIM.