La congélation: un phénomène qui fait des bonds

Publié par Michel le 10/11/2009 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © LSFC 2009
La congélation de suspensions de particules n'est pas toujours un phénomène uniforme, dans certaines conditions cela amène à une modification de la redistribution des particules et de la croissance des cristaux. Ces résultats ont été obtenus grâce à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) par imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) à rayons X du mouvement des particules lors de leur congélation (On appelle congélation toutes technique visant à faire passer un produit à...), par des chercheurs du Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (CNRS/Saint Gobain) et du laboratoire Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...), ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la...) et sciences (CNRS/INSA Lyon). Ces travaux pourront permettre d'élaborer plus facilement des matériaux poreux aux propriétés particulières mais aussi de mieux connaître les mécanismes de congélation des sols en hiver (L'hiver est une des quatre saisons des zones tempérées.) dont les conséquences sur les plantes et les voies de circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles...) peuvent être considérables. Ces résultats ont été publiés en ligne dans la revue Nature Materials le 8 novembre 2009.


Structure des cristaux de glace en présence de sauts de l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) (gauche)
ou en leur absence (droite). Les flèches indiquent les futurs (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) défauts de la structure.

Quel est le lien entre la formation de la glace de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) aux pôles, la congélation des sols en hiver, la cryopréservation des cellules, la fabrication de la crème glacée ou encore l'élaboration de matériaux composites ? Dans toutes ces situations se retrouvent la propagation d'une interface de solidification (La solidification est l'opération au cours de laquelle un liquide passe à l'état solide. Cela...) et sa rencontre avec des particules, microorganismes ou bulles en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de...) dans un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...). Si le phénomène peut se décrire en quelques mots, sa compréhension complète et son contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) restent toutefois extrêmement complexes et encore largement incomplets. Jusqu'à présent, les études ont simplifié le problème en ne considérant qu'une seule particule face à une interface plane (La plane est un outil pour le travail du bois. Elle est composée d'une lame semblable à celle...) avançant à faible vitesse (On distingue :). Dans la majorité des situations, l'interface se propageant rapidement n'est pas plane, les particules très nombreuses, et les nombreuses interactions entre les particules jouent un rôle considérable sur le comportement du système. Le comportement de l'interface dans ces conditions, critique dans de nombreuses applications, est encore largement méconnu et difficile à observer expérimentalement, les phénomènes ayant lieu à de petites échelles dimensionnelles et à forte vitesse.

Des chercheurs du Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (CNRS/Saint Gobain) et du laboratoire Matériaux, ingénierie et sciences (CNRS/INSA Lyon) se sont attelés au problème en utilisant l'imagerie par rayons X. Ils ont bénéficié d'un accès de quelques jours (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) au rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) X du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute...) de Grenoble (ESRF), où une ligne est dédiée à l'imagerie par rayons X.

En congelant une suspension concentrée de particules céramiques, les chercheurs ont pu observer in situ la croissance des cristaux de glace et le mouvement des particules lors de la congélation. Puis ils ont obtenu une image tridimensionnelle des cristaux de glace après congélation, en profitant des différences d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) du rayonnement X entre la glace et les particules. Les chercheurs ont alors mis en évidence que dans certaines conditions, l'interface se met à "sauter", accélérant ponctuellement, et modifiant la redistribution des particules et la croissance des cristaux. Un résultat expliqué par un retour ponctuel (En géométrie, un point est le plus petit élément constitutif de l'espace de travail.) de l'interface à l'équilibre quand le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) lui en est laissé, et qui intéresse les chercheurs en matériaux au plus au point (Graphie).

Le phénomène de congélation peut en effet être utilisé pour élaborer des matériaux poreux présentant des structures biomimétiques particulières, et dont les propriétés mécaniques semblent particulièrement prometteuses pour de nombreuses applications dans les domaines de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), la chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) ou encore la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant....). Lorsque l'interface se propage ainsi de manière irrégulière, de nombreux défauts apparaissent, fragilisant les structures ; les propriétés finales en sont très fortement impactées. Ces résultats donnent donc la clé pour travailler dans les domaines où ces défauts sont absents et apportent aussi un éclairage nouveau sur les mécanismes de congélation naturelle. En effet, la congélation des sols en hiver a des conséquences sur les plantes ou les voies de circulation qui peuvent être considérables. La formation de la glace de mer, où le sel et les microorganismes sont rejetés entre les cristaux de glace, joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle important sur les échanges thermiques entre l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) et les océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par...).
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