La congélation: un phénomène qui fait des bonds

Publié par Michel le 10/11/2009 à 00:00
Source: CNRS
Illustration: © LSFC 2009
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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 par imagerie à rayons X du mouvement des particules lors de leur congélation, par des chercheurs du Laboratoire de synthèse et fonctionnalisation des céramiques (CNRS/Saint Gobain) et du laboratoire Matériaux, ingénierie 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 dont les conséquences sur les plantes et les voies de circulation 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 (gauche)
ou en leur absence (droite). Les flèches indiquent les futurs défauts de la structure.

Quel est le lien entre la formation de la glace de mer 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 et sa rencontre avec des particules, microorganismes ou bulles en suspension dans un liquide. Si le phénomène peut se décrire en quelques mots, sa compréhension complète et son contrôle 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 avançant à faible vitesse. 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 au rayonnement X du synchrotron 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 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 de l'interface à l'équilibre quand le temps lui en est laissé, et qui intéresse les chercheurs en matériaux au plus au point.

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, la chimie ou encore la biologie. 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 un rôle important sur les échanges thermiques entre l'atmosphère et les océans.
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