Cellule à enclumes de diamant - Définition
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Introduction
La cellule à enclumes de diamant (en anglais diamond anvil cell) ou presse à enclume de diamant est un dispositif qui permet de soumettre un matériau à des pressions et températures très élevées et de réaliser de nombreuses mesures physiques dans ces conditions. Ses performances et sa relative facilité d'utilisation en ont fait un dispositif incontournable dans les études des comportements des matériaux sous hautes pression. Elle est notamment très utilisée en géologie où les conditions existant dans le manteau terrestre peuvent être reproduites.
Histoire du développement de la cellule à enclumes de diamant
La cellule à enclumes de diamant a été conçue aux États-Unis en 1958 et la technique de mesure de la pression par fluorescence du rubis en 1972. Ces deux techniques ont été mises au point au National Bureau of Standards (NBS), aujourd'hui connu sous le nom de National Institute of Standards and Technology (NIST), par Charles E. Weir, Alvin Van Valkenburg, Ellis R. Lippincott et Elmer N. Bunting.
Le NBS étant une institution fédérale américaine, Alvin Van Valkenburg obtient gratuitement des diamants pour concevoir son enclume. Ces diamants avaient été confisqués par le gouvernement américain à des trafiquant de diamants. Cet aspect est important, car la mise au point de la cellule à enclumes de diamants aurait très certainement été ralentie si les chercheurs avaient été obligés de payer les diamants, car un certain nombre ont été détruits avant de réussir à concevoir un instrument fonctionnel.
Description
Les diamants
Le joint
Le joint est réalisé en inox, en bronze au béryllium ou en rhénium pour les très hautes pressions.
On part d'une pièce d'épaisseur 100 à 250 microns qu'on vient d'abord indenter entre les deux diamants, réduisant ainsi son épaisseur entre 30 et 80 microns. Un trou (la chambre de pression) est ensuite percé dans le joint avec une microperceuse ou par électroérosion. Le diamètre du trou est évidemment plus petit que la partie indentée du joint. De manière générale, les trous les plus petits sont les plus stables.
Le milieu transmetteur
Afin d'assurer des conditions de pression aussi hydrostatique que possible, il est nécessaire de baigner l'échantillon dans un milieu transmetteur de pression. Un milieu transmetteur idéal doit rester liquide et ne pas interférer avec les mesures qui seront réalisées, et ce dans toute la gamme de pression et de température explorée.
Les meilleurs milieux transmetteurs sont les gaz nobles. Ils doivent être introduits à l'état liquide dans la chambre de pression. Pour l'argon et le krypton, on peut procéder simplement à pression ambiante par condensation à l'aide d'azote liquide. En revanche, un chargement en hélium ou néon doit être fait sous une pression de 100 à 200 MPa à l'aide d'un compresseur. Tous ces gaz se solidifient à des pressions relativement basses, mais forment des solides très mous qui permettent d'obtenir une bonne hydrostaticité.
Un autre milieu transmetteur très courant est un mélange éthanol-méthanol dans un rapport 1:4. Celui-ci, liquide à température ambiante, se solidifie vers 10 GPa et peut causer d'importants gradients de pression dans la chambre. Il reste néanmoins couramment utilisé pour des mesures à basses pressions. Certains milieux transmetteurs solides (CsI, KBr) sont parfois utilisés également.
