Un système modèle pour les transitions de phase en milieu désordonné : l'adsorption de l'hélium dans les aérogels – HEVEPOR

La condensation et l'évaporation des fluides dans les milieux poreux sont le sujet d'intensives recherches internationales. Sur le plan théorique, ces phénomènes permettent d'explorer les effets du confinement et du désordre sur les transitions de phase. Sur le plan appliqué, ils sont largement utilisés pour caractériser les milieux poreux via leur distribution en taille de pores. Pourtant, de nombreuses questions fondamentales restent ouvertes, et l'objectif de ce projet est de contribuer à les résoudre, en utilisant comme milieux poreux des aérogels de silice, et, comme fluide, de l'hélium. Ce projet, qui implique trois groupes à Montpellier (LCVN), Grenoble (CRTBT), et Paris (LPTMC), a trois principaux objectifs originaux: - étudier les processus de condensation (i.e. adsorption) en fonction de la force du désordre, contrôlée par la porosité de l'aérogel, et comparer les résultats à la prédiction faite par le groupe de Paris annonçant une transition de phase hors d'équilibre induite par le désordre du système. - étudier les processus d'évaporation (i.e. de désorption) dans les aérogels, et les comparer à ceux survenant dans des poreux de texture différente (éponge), comme le Vycor ou le Gelsil. Nous souhaitons en particulier déterminer dans quelle mesure, et sous quelles conditions, la distribution microscopique du liquide lors de la désorption diffère de celle lors de la condensation. Ce point reste en effet controversé, bien que jouant un rôle central dans l'extraction de la distribution de tailles de pores à partir des isothermes de désorption. - étudier comment les processus de condensation et d'évaporation sont modifiés à l'approche du point critique du liquide en phase homogène, lorsque la longueur de corrélation du liquide devient comparable à la taille des pores (?T/Tc ~ 10-3), et déterminer ainsi l'influence du désordre sur le point critique d'une transition de phase. A Grenoble, nous étudierons des aérogels de silice de différentes porosités et microstructures en utilisant des méthodes thermodynamiques (isothermes : masse adsorbée en fonction de la pression) et optiques (diffusion élastique et quasi-élastique de la lumière, résolues spatialement). Les mesures optiques exploitent un avantage unique de l'hélium, sa très faible polarisabilité électronique, qui permet de travailler en régime de diffusion simple. Nous construirons un nouveau cryostat optique, spécialement conçu pour permettre un échange rapide des échantillons, indispensable à des études systématiques sur des séries d'aérogels. Ce cryostat permettra en outre de mesurer l'intensité diffusée en fonction de l'angle d'observation, ce qui nous renseignera sur la taille des microdomaines de liquide. Les résultats des expériences seront comparés aux prédictions du groupe de Paris, faites dans le cadre novateur dans ce domaine du concept de transition de phase induite par le désordre, bien connu dans les systèmes magnétiques. De nombreux résultats numériques ont déjà été obtenus dans ce cadre, mais la théorie et les calculs seront étendus pour se rapprocher de la situation expérimentale (contrôle canonique de la masse, plutôt que contrôle grand canonique de la pression, et mesure du facteur de structure optique). La synthèse et la caractérisation des matériaux joueront un rôle central dans notre projet. Des aérogels de porosité 90% à 98% seront synthétisés à Montpellier, ce qui permettra d'étudier l'influence du désordre sur la transition de phase hors d'équilibre prédite par le groupe de Paris. Des aérogels de porosité identique, mais de microstructures différentes, seront obtenus en variant les conditions de synthèse (catalyseur, nature du solvant d'extraction). On pourra ainsi déterminer l'influence de la structure (caractérisée par SAXS -diffusion X aux petits angles -) sur la transition. Un problème majeur est la transparence des aérogels, dont on attend qu'elle décroisse lorsque la porosité augmente. Les différentes voies de synthèse explorées devro..