Novembre 2009 - La congélation :
un phénomène qui fait des bonds
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
synchrotron de Grenoble (ESRF), 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.
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 (l'ID19) 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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© LSFC 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. |
Références :
Metastable and Unstable Cellular Solidification of Colloidal
Suspensions ; S. Deville, E. Maire, G. Bernard-Granger, A. Lasalle, A.
Bogner, C. Gauthier, J. Leloup, C. Guizard, Nature Materials, 8 novembre
2009.
Contacts :
Chercheurs CNRS l Sylvain Deville l T 04 32 50 06 59 l sylvain.deville@saint-gobain.com
Presse CNRS l Cécile Pérol l T 01 44 96
51 51 l presse@cnrs-dir.fr
