Solutions Aqueuses d’électrolytes en conditions eXtrêmes : Phases Amorphes, Cristallines et Superioniques – PACS

Nous proposons ici un ambitieux projet d’exploration des phases stables et métastables des solutions aqueuses des sels les plus courants (LiCl, NaCl, KCl), dans des domaines de pressions et temperatures de leurs diagrammes de phase encore inexplorées. Ces systèmes sont de grande importance dans des domaines allant de la cryobiologie aux milieux planétaires. Nous nous efforcerons, en particulier, de caractériser les phases amorphes (Kohl, Lörting, et al., Nature 2005) de telles solutions salines peux concentrées aux pressions modérées (quelques Kbar), et les phases cristallines fortement chargées en sels, récemment découvertes par notre équipe (Klotz, Bove et al. Nature Material 2009), sous forte pression (plusieurs dizaines de Kbar) . Une partie importante de notre projet consistera donc en la mise au point de nouvelles techniques d’études, complémentaires et uniques dans le panorama européen, pour la caractérisation de la structure de ces systèmes, de leur conductivité électrique et diélectrique, ainsi que pour l’étude de la dynamique diffusive de l'hydrogène.
A travers ces études, nous visons deux objectifs importants:

D’une part, nous pourrons déterminer la structure microscopique, le comportment thermodynamique, et les temps de relaxation de ces solutions sous pression, en fonction de leur dilution croissante, afin d'accéder aux propriétés de l'eau surfondue au voisinage de la transition vitreuse. Nous pourrons ainsi étudier un domaine, en général inaccessible à l’expérience grâce aux outils novateurs mis au point par notre équipe : refroidissement ultra rapide empêchant la nucléation des cristaux de glace ainsi qu’amorphisation sous pression (Giovambatista, Lörting et al. Nature Scientific Reports 2012). Nous pourrons ainsi donner des réponses originales à l’une des plus importantes questions de la physique de la matière condensée: Existe-t-il un lien entre le ployamorphisme de la glace et une possible transition liquide-liquide dans l’eau surfondue?

D’autre part, nous chercherons à determiner l'existence sous forte pression et température élevée des phases cristallines fortement chargées en sels (NaCl,KCl répandus dans le système solaire). Nous déterminerons ansi si ces phases possèdent des propriétés physiques remarquables, comme la plasticité et la super-ionicité. Cavazzoni et al (Science, 1999) ont proposé qu’à très forte pression les protons de l’eau se délocalisent entièrement et forment une phase liquide, les ions oxygènes restant ordonnés, produisant ainsi un nouveau conducteur super-ionique. Cette phase, attendue dans la glace salée en conditions de pression et température moins extrêmes que pour la glace pure (car la présence de sel facilite la délocalisation du proton), sera rendue accessible grace aux nouveaux développement instrumentaux que nous proposons de mettre en place. Différentes études suggèrent l’existence de phases à haute pression de la glace à l’intérieur de satellites galiléens tels que Ganymède, Europa, ou Calisto, ou encore le satellite Titan de Saturne et la présence d'eau salée sous la surface de certains de ces satellites. Si de tels formes de glaces trés chargées en sels existent dans la nature en quantité significative, et si ces phase ont des propriétés exotiques, telle la super-ionicité, leur caractérisation sera de première importance pour la compréhension des corps glacés dans l'Univers.