Mobilité couplée des éléments à la surface d’un verre float et une couche mince fonctionnalisée – MAGI

La diffusion chimique joue un rôle important à toutes les étapes de l'élaboration et la transformation du verre plat, et contrôle en particulier l'inter-diffusion entre la surface du verre et des couches minces lors de traitements thermiques (trempage, bombage) au-dessus de la température de transition vitreuse du substrat. Cette inter-diffusion est souhaitée dans une minorité d’applications, mais elle conduit souvent à la dégradation des propriétés optiques, électriques ou mécaniques des empilements de couches minces. Des couches de silice avec différents types de dopage permettent de diminuer en partie la migration des alcalins vers les couches fonctionnelles. La migration des éléments du verre vers les silicates des couches minces dépend de façon complexe de la température et de la composition du verre et des couches, en raison des couplages entre espèces qui sont nécessaires pour permettre le déplacement des ions à l'intérieur d'une structure fortement polymérisée. Il n'existe pas aujourd'hui de modèle pour prédire la diffusion couplée des espèces dans les liquides silicatés, en dehors de quelques régions étroites de diagrammes de phase simplifiés par rapport aux compositions d'intérêt industriel. Par ailleurs, pouvoir extrapoler à partir de ces quelques régions nécessiterait une compréhension fondamentale des mécanismes contrôlant la diffusion, encore trop lacunaire.

Le projet MAGI vise à étudier et modéliser la diffusion multi-composantes dans les silicates, dans le système Na2O-CaO–Al2O3–SiO2 avec des ajouts optionnels de Sn et Zn comme dopants, et pour des conditions pertinentes pour l’élaboration et la transformation du verre plat. L’approche consiste à étudier les couplages diffusifs entre espèces et l’influence de la structure du verre sur ces couplages, afin d’obtenir des modèles prédictifs des phénomènes diffusifs, en passant par la compréhension fondamentale des mécanismes microscopiques à l'origine de la diffusion. Dans ce but, 5 équipes académiques et le verrier Saint-Gobain utiliseront une combinaison inédite de techniques avancées, expérimentales comme numériques. Plusieurs techniques d’analyse permettront de mesurer les profils de concentration sur des gradients de diffusion, de l’échelle nanométrique à millimétrique. Ces mesures permettront de remonter aux matrices de diffusion des compositions étudiées, qui remplacent la diffusivité scalaire dans une version matricielle de la loi de Fick, permettant de rendre compte des couplages. Pour une vision locale de la diffusion, les configurations locales et leur dynamique seront obtenues par des mesures structurales, et des simulations de dynamique moléculaire donneront un accès direct aux trajectoires atomiques et aux réarrangements.

La modélisation des phénomènes observés reposera sur l'identification de réactions élémentaires d'échanges entre espèces, que l'on peut notamment obtenir à partir des vecteurs propres de la matrice de diffusion d'un système, mais que l'on obtiendra également par simulation numérique. Les compositions choisies (à l'intérieur du système Na2O-CaO–Al2O3–SiO2 et avec l'ajout des dopants Sn et Zn), ainsi que différentes températures (à haute température à l'état liquide, ainsi qu'à l'état surfondu à proximité de la transition vitreuse), permettront d'explorer les domaines de stabilité des réactions d’échange. On cherchera par ailleurs à faire le lien avec le formalisme thermodynamique d'Onsager pour la multi-diffusion, une approche classique dans les alliages métalliques mais encore très peu utilisée dans les silicates. Ces résultats permettront de prédire les échanges diffusifs entre le verre et les couches minces silicatées, et de suggérer des températures, des épaisseurs et des compositions optimales pour les couches minces, en fonction de l’application recherchée. Les lois de diffusion élaborées à partir des résultats de MAGI seront implémentées dans un logiciel de simulation des échanges diffusifs.