DS0303 - Produits (conception, procédés et matériaux)

Etirage de matériaux amorphes dopés de nanoparticules – Nice-DREAM

Comportement des nanoparticules pendant l'étirage en fibre optique

L'étirage est une étape clé dans le procédé de fabrication d'une fibre optique. Cette étape est caractérisée par une très haute température (~2000 °C) et une forte contrainte mécanique. Ce projet vise à comprendre le comportement des nanoparticules soumises à de telles conditions afin de définir les caractéristiques requises dans la préforme pour obtenir celles visées dans la fibre.

Vers des fibres optiques amplificatrices originales

Ce projet vise à développer des fibres optiques amplificatrices originales, destinées à des applications photoniques, basées sur l'encapsulation d'ions luminescents (IL) dans des nanoparticules diélectriques (ND). Il concerne en particulier l'étude des modifications des ND lors de l'étirage, étape clé qui constitue un verrou technologique pour le développement de ces nouvelles fibres optiques. L'objectif scientifique principal est de comprendre le comportement de ND contenues dans une matrice vitreuse soumises à des conditions de très haute température (> 2000 °C) et des contraintes mécaniques. Dans ces guides d'onde, les ND ne sont présentes que dans le cœur (10 µm de diamètre, 1 % du volume de la fibre). Ceci représente une difficulté majeure pour les caractérisations des ND dans les fibres. Nous avons donc choisi de travailler sur des échantillons modèles, contenant des ND dans tout le volume. Pour répondre à l'objectif principal, nous visons à : <br />- savoir préparer des verres contenant des ND dopées d'ions luminescents (IL) et de tailles contrôlées, <br />- comprendre la synthèse de ces ND et les relations entre leurs propriétés spectroscopiques et l'environnement local des IL, <br />- comprendre le rôle de la température sur la stabilité des ND, <br />- comprendre le rôle de la température et de l'élongation (étirage) sur les ND, <br />- comparer systématiquement résultats expérimentaux et résultats de simulation/modélisation, <br />- réaliser une preuve de concept.

Compte tenu des difficultés de caractérisations des nanoparticules formées par séparation de phase et de la quasi absence de modèles pour décrire de tels phénomènes dans le cas de compositions multi-éléments telles qu'envisagées dans ce projet, les simulations numériques sont un outil très important à développer. Ce début de projet a vu la concrétisation des premières simulations numériques par dynamique moléculaire rendant compte de la formation de nanoparticules dans le système SiO2-MgO. De telles simulations numériques sont aussi développées pour simuler l'étirage.

Les principaux résultats marquants obtenus pour l'instant sont :
- Mise en évidence expérimentale et numérique d'une variation de composition des nanoparticules vitreuses, formées par séparation de phase, pour des tailles inférieures à 20 nm. Les simulations numériques ont déjà fait l'objet d'un premier article, honoré par la couverture de Journal of Chemical Physics (2015).
- Des outils de simulation ont été mis au point pour modéliser le processus d’étirage à chaud d’une préforme en silice pure. Les simulations ont notamment permis d’expliquer l’origine de l’anisotropie induite dans une fibre (un article a été publié dans Journal of Non Cryst. Solids) et permettront d’envisager dans la suite du projet la simulation de l’étirage de préformes dopées contenant les nanoparticules.

La suite du projet va consister à mettre à profit des procédés de fabrication spécifiques afin de préparer des verres contenant des ND dopées d'ions luminescents (IL) et de tailles contrôlées. Nous nous attacherons en particulier à comprendre la relation entre les propriétés spectroscopiques des IL et leur environnement local, ainsi qu'à étudier le comportement des nanoparticules dans les conditions d'étirage. Une preuve de concept sera réalisée en fin de projet.

Publications
X. Bidault, S. Chaussedent, W. Blanc, D.R. Neuville, « Deformation of silica glass studied by molecular dynamics: Structural origin of the anisotropy and non-Newtonian behavior », Journal of Non-Crystalline Solids, 433, 38-44, 2016
X. Bidault, S. Chaussedent, W. Blanc, « A simple transferable adaptive potential to study phase separation in large-scale xMgO-(1-x)SiO2 binary glasses«, The Journal of Chemical Physics, 143, 154501, 2015
Communications
X. Bidault, S. Chaussedent, W. Blanc, D.R. Neuville, « Structural anisotropy induced by deformation in silica glass » In : 13th International Conference on Frontiers of Polymers and Advanced Materials (ICFPAM), Marrakech – Maroc, 2015

D.R. Neuville, “Rheology and nano-structural change of glasses and melts: implications for earth and material sciences”. ICG Shangai, 2016. (conf. invitée)
X. Bidault, J. Turlier, S. Chaussedent, W. Blanc, « Un potentiel adaptatif simple pour la modélisation par Dynamique Moléculaire de la séparation de phase dans un verre de silice binaire », Journées Verre, Nice, 2015

M. Vermillac, J.F. Lupi , S. Trzesien, M. Ude, J.B. Tissot, H. Fneich, A. Mehdi, O. Totterau, P. Vennegues, C. Kucera, J. Furtick, J. Ballato, W. Blanc, « Vie et mort d'une nanoparticule de LaF3 dans la silice à haute température », Journées Verre, Nice, 2015

H. Francois-Saint-Cyr, I. Martin, P. LeCoustumer, C. Hombourger, D. Neuville, D. J. Larson, T. J. Prosa, E. Gonthier, L. Geai , C. Guillermier, W. Blanc, « Variation of sub-10nm nanoparticle chemical composition in glass revealed by Atom Probe Tomography », XIVe colloque de la Société Française des Microscopies, Sfµ2015, Nice, 2015
Chapitre de livre
W. Blanc, “Luminescence properties of rare earth ions doped in insulating nanoparticles embedded in glassy hosts”, in «From glass to crystal: nucleation, growth and phase separation, from research to applications« Ed. Neuville D.R., Cormier L., Caurant D. et Montagne L, EDP-Sciences, 2016

Ce projet vise à développer des fibres optiques amplificatrices originales, destinées à des applications photoniques, basées sur l'encapsulation d'ions luminescents (IL) dans des nanoparticules diélectriques (ND). Il concerne en particulier l'étude des modifications des ND lors de l'étirage, étape clé qui constitue un verrou technologique pour le développement de ces nouvelles fibres optiques.

Le marché des fibres optiques est actuellement en pleine croissance dans des domaines tels que les télécommunications, l'usinage, la médecine, les capteurs. Cet essor est porté par des fibres à base de silice (SiO2) car ce verre offre de nombreux avantages mécaniques et économiques par rapport à d'autres verres. Néanmoins, les amplificateurs à fibres optiques basées sur ce verre sont limités à quelques bandes relativement étroites dans le proche-infrarouge. Le développement de nouvelles applications à base de fibres optiques à base de silice nécessite de repenser la nature et la structure du cœur des fibres pour atteindre des propriétés d'amplification « augmentées ». L'encapsulation d'IL dans les ND permet en principe d'en contrôler l'environnement et de pratiquer une ingénierie des propriétés spectroscopiques. De nouvelles fibres optiques sont développées selon ce principe. Elles permettent de combiner les avantages optiques et mécaniques de la silice et d'offrir des propriétés spectroscopiques qui n'existeraient pas autrement dans ce verre.

La voie la plus prometteuse pour le développement d'un nouveau type de fibres optiques amplificatrices repose sur la synthèse des ND in-situ pendant la fabrication de la préforme. Il existe plusieurs méthodes pour préparer celle-ci. Cependant elles partagent toutes l'étape d'étirage, qui transforme une préforme de quelques cm de diamètre en une fibre de 125 µm. Ceci impose des conditions extrêmes de température (> 2000 °C) et de contraintes mécaniques. Actuellement il n'existe pas connaissances ni de modèles qui permettent l'ingénierie des propriétés spectroscopiques des ND dopées d'ions luminescents dans ces conditions.

Le sort des NP pendant l'étirage est donc la question principale à élucider. Dans ce contexte, notre approche originale est l'étude d'échantillons modèles pour s'affranchir des difficultés de caractérisations rencontrées avec les fibres. Le travail est organisé en quatre étapes sur 42 mois : (1) préparation de verres contenant des ND dopées d'ions luminescents, influence (2) des hautes températures puis (3) de l'élongation sur les ND et (4) démonstration d'une preuve de concept. Les expériences s'appuieront sur des modèles théoriques et des simulations en dynamique moléculaire. L'objectif principal est de déterminer la fonction de transfert de l'étape d'étirage, afin de spécifier les propriétés requises pour les ND dans la préforme en vue des propriétés visées dans la fibre.

Avec cet objectif à l'esprit, nous avons constitué un consortium d'experts dans les domaines concernés : verres, fibres optiques, nanomatériaux, séparation de phase dans les silicates, et thermodynamique. Les quatre partenaires académiques sont de réputation internationale. Leur compétence scientifique et technologique de niveau mondial s'étend maintenant à de nombreux domaines concernant les matériaux, avec des collaborations déjà engagées dans ces domaines: fabrication et caractérisation, optique, physico- chimie, spectroscopie et simulations numériques.

Fondée sur des techniques expérimentales et numériques pluridisciplinaires mûres, le projet produira et analysera un grand nombre d'échantillons et de données de première importance pour la compréhension des ND dans les fibres à base de silice. Il en résultera une augmentation notable des connaissances scientifiques pour les matériaux photoniques, alors que les résultats technologiques devraient avoir un impact important dans les Technologies Clés Génériques telles que la photonique, les nanotechnologies, les matériaux avancés et les procédés avancés.

Coordinateur du projet

Monsieur Wilfried Blanc (Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC), CNRS UMR 7336, Université Nice Sophia Antipolis)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IPGP Institut de Physique du Globe de Paris
LPhiA Laboratoire de photonique d'Angers
LPMC Laboratoire de Physique de la Matière Condensée (LPMC), CNRS UMR 7336, Université Nice Sophia Antipolis
ICGM Institut Charles Gerhardt Montpellier

Aide de l'ANR 446 095 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 42 Mois

Liens utiles

Inscrivez-vous à notre newsletter
pour recevoir nos actualités
S'inscrire à notre newsletter