DIM OxyMORE
Région Île-de-France

Réseau francilien sur les matériaux oxydes

Actualités

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).


La nature minéralogique et la composition isotopique des chondrites, archives de notre système solaire, permettent une comparaison avec les oxydes observés dans les régions de formation d'étoiles. La nano-SIMS, instrument national de l'INSU hébergé au MNHN, cartographiant les compositions isotopiques avec une résolution spatiale d'une centaine de nm, montre des hétérogénéités isotopiques considérables à cette échelle qui sont sans contre partie dans les échantillons terrestres. L'origine d'une telle hétérogénéité isotopique reste pour l'instant obscure, et nécessite de mieux comprendre l'influence d'une formation de ces phases minérales par condensation d'oxydes à haute température à partir d'un gaz. L'ensemble de ces études repose sur la collection nationale de météorites conservée au MNHN, mais aussi sur des échantillons de la comète Wild 2 récemment rapportés par la sonde Stardust. L'analyse de ces oxydes formés lors des premiers millions d'années d'existence du système solaire établit l'existence d'un continuum minéralogique entre comètes et astéroïdes et permet de contraindre les conditions régnant dans la nébuleuse protosolaire (LMCM, IMPMC, ISTEP).

La minéralogie des intérieurs planétaires est une thématique développée autour d'expérimentations en conditions extrêmes de pression et de température. Elle est pratiquée sur un ensemble d'oxydes de magnésium, de silicium et de fer, de structure NaCl ou de structure perovskite. L'approche est structurale, mais vise aussi à caractériser les propriétés physiques (propriétés élastiques, rhéologiques…) dans des conditions extrêmes de pression et de température, afin de construire des modèles de composition chimique et minéralogique de l'intérieur de la Terre, et d'autres planètes telluriques (Mars) ou extrasolaires (SuperTerres). Le rôle des fluides dans les processus de fusion à haute pression, à l'origine de la présence de magmas profonds, ainsi que dans la déformation des roches de la croûte et du manteau et les transferts d'éléments ouvrent sur de nouveaux concepts géodynamiques. (IMPMC, LMCM, ISTEP).

La formation d'oxydes par l'activité biologique (biominéralisation) peut se faire via l’augmentation de la sursaturation des solutions induite par l'activité métabolique et/ou une nucléation hétérogène permise par des molécules organiques spécifiques. Il est nécessaire de conjuguer les expertises de chimistes, biologistes et minéralogistes afin de mieux comprendre les mécanismes impliqués et les informations stockées par les oxydes formés sur leurs conditions de formation. La biominéralisation conduit à des oxydes avec des structures, morphologies et propriétés particulières, à la base de nombreuses applications : une collaboration entre écologistes et minéralogistes permettra par exemple de progresser dans notre compréhension de la vie primitive sur Terre, la présence d'oxydes (sulfates, carbonates) enregistrant justement une activité biologique, comme ces équipes l'ont montré sur des fossiles vieux de 2,7 milliards d'années. D'autre part, les processus de biominéralisation offrent une voie efficace pour piéger les polluants métalliques dans des phases solides relativement stables et ouvrent ainsi la voie à des méthodes de bioremédiation efficaces (voir D). Enfin, les propriétés particulières des oxydes synthétisés par le vivant peuvent être utilisées à des fins technologiques comme pour certaines bactéries synthétisant des monocristaux de magnétite disposés en chaine, permettant d'envisager une nouvelle voie de traitement de cancers du cerveau par hyperthermie. Enfin, l'activité biologique doit être prise en compte dans la dégradation des minéraux oxydes, notamment lors du vieillissement des façades monumentales (voir Axe 5). (IMPMC, ESE, ISTEP, LCMCP, LRS)

Les processus élémentaires sont responsables, à l'échelle moléculaire, des phénomènes globaux qui régissent le fonctionnement de la surface de la Terre (altération, formation des sols), ainsi que de l'accumulation des polluants et leur transfert dans les eaux naturelles et la chaîne alimentaire : on peut citer le piégeage des métaux lourds par adsorption à la surface des oxydes ou par des réactions d'oxydo-réduction ou la rétention des radionucléides dans les sols et les sédiments. L'utilisation des outils les plus récents de la physique et de la chimie permet de décrire les interactions entre surfaces minérales, solutions aqueuses, matière organique naturelle et activité biologique (voir C). Il est ainsi possible de quantifier la cinétique des interactions eau-roches ou les transferts isotopiques lors de l'altération, améliorant la modélisation de la formation des sols ou des grands cycles biogéochimiques. La prise en compte des processus contrôlant mobilité, toxicité et biodisponibilité des polluants, permet d'envisager une bioremédiation des sols et des eaux par des oxydes d'origine microbienne. Ces thématiques bénéficieront d'une coopération renforcée avec les chimistes travaillant sur la réactivité des oxydes (cf. Axe 3). Cette recherche est conduite dans le cadre de programmes nationaux destinés à soutenir les aspects amonts d'un développement durable et acceptable de l'activité minière, secteur économique qui connaît actuellement un renouveau d'intérêt : Observatoire de la mine en milieu fragile (INSU), Plan national de gestion des déchets et matières radioactives (PNGMDR), CNRT "Nickel et son environnement". Les coopérations pourraient ainsi être développées grâces à ce réseau entre les laboratoires académiques et les services du CEA/Saclay et l'IRSN. (FIRE, IMPMC, LMCM, ISTEP, IDES, DPC, LAMBE)

Les matériaux de construction -ciment, plâtre, enduits- demandent une maîtrise de différentes propriétés physico-chimiques comme la croissance cristalline, la stabilité des phases, la durabilité ou la tenue mécanique... Le réseau pourra appuyer la compétitivité des laboratoires et centres techniques situés en IdF. En connexion avec l'Axe C, on peut mentionner le vieillissement des matériaux de construction, notamment la dégradation des pierres de construction en relation avec le développement de biofilms. La dynamique des interactions entre l'activité biologique et les surfaces minérales est un sujet qui concerne aussi bien les centres de recherche industrielle que la conservation du patrimoine (voir Axe 5). Enfin, à un moment où la question de l'approvisionnement en matières premières minérales et énergétiques est une préoccupation, il est important que notre région puisse garder une expertise visible dans le domaine des ressources minières. L'étude des processus de concentration des éléments, comme uranium et nickel, la qualité des minéraux industriels ou le développement de nouveaux outils de prospection, sont des axes de grand avenir : la labellisation du projet OxyMORE permettra de développer, dans les laboratoires labellisés de notre Région, une activité de recherche sur les ressources minérales, thématique cruciale pour l'avenir. (IMPMC, IDES, LRMH, PPMD).

Une grande originalité de ce projet est de comprendre des unités qui hébergent d'importantes collections de minéralogie, celles de l'UPMC et du MNHN, ayant une forte visibilité. Un DIM portant sur les minéraux oxydes s'appuiera fortement sur ces collections, qui pourront être utilisées pour une communication de qualité.

 

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.

Les oxydes étudiés peuvent être classés en grandes familles non disjointes : Oxydes à fortes corrélations électroniques, Oxydes supraconducteurs, Oxydes frustrés, Oxydes thermoélectriques, piézoélectriques, pyroélectriques, multiferroïques, Oxydes transparents conducteurs ... Célébrée pour le centenaire de sa découverte cette année, avec une histoire jalonnée de 13 prix Nobel, la supraconductivité reste un domaine en plein essor ; le mystère de la supraconductivité à haute température critique, découverte dans les cuprates en 1986, n'est, par exemple, toujours pas percé ; les recherches menées en IdF s'étendent des synthèses de haute qualité indispensables pour les études physiques fines, aux composants électroniques hyperfréquence et aux applications " courant fort " ou la compréhension fondamentale de l'origine de la supraconductivité (LPS, LSI, CPhT, IphT, SPEC, LLB, SOLEIL, UMPhy, LPEM, MPQ, GEMaC).
De nouveaux concepts et de nouveaux cuprates quantiques sont nés, soit suggérés par les développements théoriques autour de systèmes modèles, soit tout simplement par des résultats expérimentaux ou la recherche de nouveaux matériaux qui défient les modèles établis. Il s'agit alors d'une physique " exotique " très amont : liquides de spins sur réseaux frustrés, glaces de spins, monopoles magnétiques, condensation de Bose Einstein de magnons, échelles de spins, rêvées par les théoriciens puis synthétisées par les physico-chimistes (LPS, ICMMO, IphT, SPEC, LLB, LPTMC). Les oxydes souvent binaires ou ternaires à base de titane, de manganèse, de cobalt, de bismuth, de fer, de plomb,de vanadium, de molybdène...sont au cœur des recherches d'architectures cristallines présentant des propriétés magnétiques ou électroniques nouvelles dont la richesse et la complexité tiennent à des phases en compétition.
Les multiferroïques figurent parmi les avancées majeures des cinq ou six dernières années, ils représentent l'archétype de la multifonctionnalité. En utilisant le couplage magnétoélectrique qui lie les ordres électrique et magnétique, il devient possible de contrôler une aimantation non plus par un champ magnétique (très énergivore) mais par un champ électrique (méthode d’écriture de l’information peu consommatrice en énergie mais également locale). Une telle avancée permet de concevoir des mémoires magnétiques non volatiles (MRAM) contrôlées électriquement, présentant de très forte densité et peu consommatrices en énergie comme élément mémoire des ordinateurs de demain. Plusieurs équipes d'IdF travaillent sur ces matériaux (SPEC, UMPhy, LPS, LSPM, MPQ) et ont obtenu des résultats majeurs sur les films minces multiferroïques comme la réalisation de mémoires à quatre états ou le contrôle électrique non dissipatif des ondes de spins dans le BiFeO3 pour de futurs dispositifs " magnoniques " (magnons = ondes de spins) pour le transport et le traitement de l'information, en remplacement des transistors conventionnels. Enfin, l'innovation en électronique passe par la recherche de nouvelles familles de céramiques diélectriques, piézoélectriques, pyroélectriques (perovskites, couches minces, ...) et de ferrites qui permettent de réaliser des composants et des dispositifs pour des applications dans le domaine des radiocommunications, des microondes, de l'optique et de l'acoustique (GEMaC, UMPhy).

Les couches minces d'oxydes révèlent tous les jours de nouvelles propriétés fascinantes mais elles ouvrent également la voie à l'applicatif dans des domaines variés (cf. infra).
Oxytronique : Le développement exponentiel de la microélectronique dans notre quotidien, basée sur la technologie CMOS, a permis une diminution des coûts tout en favorisant à l'extrême la miniaturisation et l'intégration. La poursuite de la miniaturisation n'est cependant pas possible éternellement et la technologie CMOS fait face à plusieurs problèmes. La simple réduction des dimensions géométriques des transistors pour passer à de nouvelles générations de composants n'est plus une solution à long terme car elle se fait au détriment des coûts de production et de R&D mais aussi au prix d'une très forte surconsommation énergétique (à partir de 2005, le monde a produit chaque année plus de transistors que de grain de riz et les a vendus moins cher, les applications de la microélectronique représentent 13% de la consommation en électricité globale soit autant que l'éclairage des villes). L'électronique se retrouve face au mur de la limite physique (la barrière isolante qui sépare le canal du transistor de la grille n'est que de quelques atomes, réduisant la fiabilité des transistors). Il est donc nécessaire de définir de nouveaux paradigmes et ce sont désormais les innovations au niveau des matériaux et des architectures qui permettront d'augmenter les performances. L'électronique à base d'oxydes ("oxytronique") est actuellement une voie prometteuse pour le développement d'une électronique "Beyond-CMOS" combinant plusieurs fonctionnalités sur la même puce. Les oxydes présentent tout d'abord un large éventail de propriétés physiques et donc de fonctionnalités (supraconducteurs, ferromagnétiques, ferroélectriques, multiferroïques, etc) au sein d'un nombre réduit de familles cristallographiques. Comme pour les systèmes III-V, des hétérostructures contrôlées à l'échelle atomique peuvent être obtenues. Les oxydes peuvent, de plus, avoir des réponses extrêmement élevées à des stimuli externes (contraintes, champs magnétiques ou électriques) ce qui permet de les exploiter comme capteurs ou de moduler leurs propriétés par des effets de contrainte ou de proximité. Les recherches sur l'électronique ou l'optronique à base d'oxydes se développent rapidement, dont la portée est attestée notamment par le prix Nobel reçu en 2007 par Albert Fert de l'Unité Mixte de Physique CNRS/Thales.
Parmi les efforts pour obtenir un accès rapide à l'information, les couches minces supraconductrices permettent de réaliser des filtres passe-bande de très grand facteur de qualité réduisant la bande passante attribuée à chaque canal pour augmenter le flux d'informations transmises (UMPhy, LSI) et satisfaire à une demande de stockage toujours plus importante.
Fascinantes du point de vue de la physique fondamentale mais aussi intéressantes pour les applications sont les propriétés nouvelles qui apparaissent à certaines surfaces ou interfaces d'oxydes. On peut citer l'interface entre les deux isolants, LaAlO3 et SrTiO3 qui présentent une conduction confinée à haute mobilité. A très basse température, ce gaz bidimensionnel devient supraconducteur. L'exemple le plus marquant est celui obtenu, grâce à une collaboration entre l'Université de Genève et le LPS, de la réalisation d'un transistor supraconducteur, c'est-à-dire fonctionnant (à basse température) sans la moindre perte d'énergie. La découverte de telles propriétés aux interfaces et la possibilité de les moduler nous permettent d'entrevoir de nouvelles possibilités pour une électronique de demain toujours plus performante.

Films minces pour le photovoltaïque.
Le photovoltaïque, l'une des filières énergétiques les plus emblématiques du " développement durable ", fournira à moyen et à long terme une part significative de la production mondiale d'électricité, permettant de diminuer la part des énergies fossiles mais aussi d'assurer une production énergétique au niveau local. On peut par exemple citer les recherches sur des films d'Oxydes transparents conducteurs, pour l'éclairage, le solaire et l'électronique transparente (GEMaC, ILV, INSP, SVI).

Films d'oxydes pour les applications médicales.
Les films d'oxydes magnétiques ou supraconducteurs ouvrent la voie à des applications médicales nouvelles. La sensibilité des capteurs tout-oxydes (1femtoTesla) permet de mesurer les très faibles champs magnétiques créés par les courants dans les zones actives du cerveau (magnéto-encéphalographie) ou ceux résultants de l'activité cardiaque (magnéto-cardiographie).

 

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.

Contacts

  • Georges Calas
    Tél : 01 44 27 68 72
    Mail: georges.calas@upmc.fr
  • Laurence Galoisy
    Tél: 01 44 27 50 64
    Mail: laurence.galoisy@upmc.fr

Qu'est-ce qu'un DIM ?

Dispositif phare de la politique régionale de recherche mis en place en 2005 par la Région Île-de-France, les domaines d’intérêt majeur (DIM) visent à réunir en réseau des équipes de recherche situées en Île-de-France travaillant sur une même thématique afin qu’elles échangent, mutualisent leur résultat, coordonnent leur travaux et aillent plus loin, plus vite...[en savoir plus]