Structure & Dynamique des Alumino-Silicates Fondus – DyStrAS

Après une phase intense de synthèse des verres, sont caractérisé expérimentalement:
- le comportement macroscopique de ces systèmes (viscosité, Tg,...),
- la microstructure des verres (Raman, RMN, diffraction des neutrons, absorption des rayon X),
- la microstructure des liquides (diffraction des neutrons).
Par ailleurs la simulation par dynamique moléculaire a permis de modéliser la structure de ces verres et de recalculer les observables (RMN, diffraction) pour valider ces modèles.

Nous nous sommes principalement concentré sur le système SiO2-Al2O3-SrO, et avons commencé les synthèse des systèmes SiO2-Al2O3-ZnO et SiO2-Al2O3-BaO.
Les verres ont été Raman, RMN, diffraction des neutrons, absorption des rayon X, certains liquides de haute température on également été observés par diffraction des neutrons et absorption des rayon X.
Un important travail sur les champs de force à utiliser pour ces systèmes dans le cadre de la simulation par Dynamique Moléculaire a été effectué.
La plupart des données expérimentales sont encore en cours d'analyse, mais les premières comparaisons avec la modèles obtenus par MD montrent un excellent accord.

Nous allons tout d'abord finaliser les synthèses des systèmes ternaires SiO2-Al2O3-ZnO et SiO2-Al2O3-BaO ainsi que la mesure de leurs propriétés macroscopiques. Des expériences de diffraction des neutrons et d'absorption des rayon X sur les verres et les liquides de haute température sont dors et déjà planifiées. Les expériences de RMN et raman seront conduite sur les verres, et l'approche très haute température sera mise en place.
Ceci nous conduira à un ensemble de résultat structuraux sur les trois ternaires que nous pourrons confronter aux modèles simulés et donc déduire une analyse structural fine des système vitreux. Nous engagerons alors l'analyse de la dynamique multi-échelle de ces systèmes.

Présentations orales :
- Latapie L.L. and Neuville D.R. (2014) “Properties of glasses and melts in the SrO-Al2O3-SiO2 system”, IMA, Gauteng province of South Africa.
- Neuville D.R., Novikov A., Florian P, Hennet L. (2015) “Structure and properties of strontium aluminosilicate glasses and melts”, GOMD-DGG Joint Annual Meeting, Miami, 16-22 mai.
- Novikov A., Neuville D.R., Hennet L. (2015) “Properties and structure of SrO-Al2O3-SiO2 melts” Goldschmidt, Prague 15-20 aout.
- Florian P., Baltisberger J. H., Fayon F., Deschamps M., Sadiki N. and Grandinetti P. J., “Assessment of the SiOSi Bond Angle Distribution in Silicate Glasses: an NMR Point of View”, Annual Meeting of the International Commission on Glass, Bangkok 20-23 septembre
- Novikov A., Neuville D.R., Florian P. (2015) “Thermodynamic and rheological properties of BaO–Al2O3–SiO2 glasses and melts”, Silicate Melts Workshop, La petite Pierre, Alsace, 13-17 octobre.
- T. Charpentier, (2015), “Combining experimental and first-principles solid-state NMR : Anew tool for Structure Determination of Oxide Glasses”, PNCS XIV, 20-24 septembre, conference invitée.

Présentations par affiche :
- Florian P., Sukenaga S., Massiot D., Kanehashi K., Saito N. and Nakashima K. (2015), “Characterization of Bonding Preferences in Aluminosilicate Glasses using Solid-State J-based MAS NMR technics”, ENC 2015 Assilomar, 19-24 avril

Présentations à des écoles d’été :
- P. Florian (2015), Ecole du GDR Verre, Fréjus
- P. Florian (2015),Workshop of the International Commission on Glass, Montpellier

Si la plupart des verres technologiques, vitrocéramiques ou compositions d'intérêt géologique ont des propriétés qui dépendent de leur état fondu, notre connaissance de la structure et de la dynamique de ces liquides reste limitée par des difficultés technologiques et théoriques. Ceci est particulièrement vrai pour les aluminosilicates largement utilisés dans l'industrie verrière (verre de couverture d'écran d'appareillage haut de gamme, matériaux dure et à faible expansion pour les râdomes, vitrocéramiques à expansion nulle...) sur la base de connaissances principalement empiriques.
Ce projet de recherche a pour but de faire sauter les verrous technologiques relatifs à l’étude de la structure et de la dynamique des fondus aluminosilicates en se basant sur l’expertise acquise par les membres de ce consortium lors de recherches menées conjointement sur les aluminosilicates vitreux. Afin d’obtenir des résultats sans précédents, nous utiliserons les développements expérimentaux et de technique de modélisation d’avant-garde en ce concentrant sur (1) la caractérisation spectroscopique in-situ de la structure et la dynamique des liquides de haute température, (2) l’étude structural ex-situ de nouvelles compositions et (3) la simulation informatique de la structurale et la dynamique des liquides et des verres. En nous concentrant sur les ternaires SiO2-Al2O3-ZnO, -SrO, -BaO extrêmement peu étudiés, nous apporterons non seulement de nouvelles connaissances fondamentales mais aussi de nouveaux verres, vitrocéramiques ou céramiques.
La structure et la dynamique de ces compositions seront étudiées de leur état vitreux à leur liquide de haute température grâce à une large gamme de méthodes expérimentales in-situ allant de l’échelle atomique (RMN, diffraction des rayons-X, EXAFS et XANES) à l’échelle nanométrique (diffraction des neutrons, spectroscopie Raman) et jusqu’à des méthodes macroscopiques (thermodynamique et rhéologie). Ces techniques difficiles à mettre en oeuvre seront poussées conjointement au-delà de l’état de l’art actuel afin d’accéder à une plus grande gamme de températures et de conditions d’observations. Combinée à des simulations par Dynamique Moléculaire et au calcul ab-initio des observables spectroscopiques, cette approche nous permettra d’obtenir une description complète de la structure et de la dynamique de l’état fondu à plusieurs échelles et temps caractéristiques.
Cette approche synergique nous amènera à mieux comprendre les premières étapes de « nucléation » prenant place autour de Tg qui mènent à la vitrification, la cristallisation ou la séparation de phase. Elle aura non seulement un large impact dans le domaine des matériaux et des sciences de la terre, mais pourra potentiellement être appliqué à de plus larges problématiques en science des matériaux. Ce projet contribuera donc à l’émergence de nouvelles méthodologies corrélant la structure et la dynamique des liquides fondus et des verres avec leurs propriétés.
Les parties conviennent que la participation et la contribution de chaque participant de ce programme de recherche est soumis à la négociation préalable et à la signature d’un accord de consortium.