Synthèse et cristallisation de silicates amorphes poreux dans le ternaire MgO-CaO-SiO2 : application à la transition amorphe-cristal des disques d’accrétion

par Jessy Gillot

Thèse de doctorat en Molécules et matière condensée

Sous la direction de Hugues Leroux et de Mathieu Roskosz.

Soutenue le 07-10-2010

à Lille 1 .

mots clés

• Disques d'accrétion (astrophysique)
• Poussière cosmique
• Système solaire -- Origines
• Silicates
• Sol-gel, Procédé
• Transitions de phases
• Cristallisation
• Matériaux poreux
• Matériaux amorphes
• Disques protoplanétaires -- Composition chimique

Résumé

La poussière interstellaire peut être considérée comme le précurseur des minéraux qui ont peuplé les disques protoplanétaires. En effet, les étoiles commencent leur histoire par l’effondrement d’un nuage interstellaire composé de gaz et de silicates amorphes riches en magnésium. Dans les premiers temps de la formation stellaire, celui-ci est réarrangé sous forme d’un disque en orbite autour l’étoile et dans lequel la poussière subit d’intenses transformations. Une conséquence majeure est l’apparition d’une transition amorphe-cristal de la poussière. Le disque est alors caractérisé par une zonation minéralogique constituée par une variation d’abondance de deux phases majeures, la forstérite et l’enstatite. Deux mécanismes peuvent rendre compte de leur formation à partir des silicates amorphes qui alimentent le disque : l’évaporation-condensation et la cristallisation solide-solide. Les présents travaux étudient ce dernier mécanisme comme alternatif au premier pour donner des éléments d’interprétation à la zonation minéralogique observée. Dans un premier temps, une méthode de synthèse sol-gel est mise au point afin de produire des silicates amorphes magnésiens et magnéso-calciques analogues aux silicates interstellaires. Dans un second temps, leur cristallisation est étudiée par diffraction des rayons X et microscopie électronique à transmission. Cette cristallisation se fait de manière séquencée et est marquée par une forte germination, conférant une petite taille de grain aux silicates. Les phases les plus riches en alcalino-terreux se forment les premières. Ce comportement se révèle un mécanisme pertinent pour expliquer la zonation minéralogique des disques et certains minéraux contenus dans les objets tels que les poussières interplanétaires, les comètes et les météorites.

Titre traduit

Synthesis and crystallisation of amorphous porous silicates in the MgO-CaO-SiO2 ternary : study of the amorphous-cristal transition in accretion disks

Résumé

In the framework of mineral evolution, interstellar dust could be claimed as the oldest ancestor of all minerals which spread on Earth and, further, in all comic objects traveling through the solar system, like comets, meteorites and interplanetary dust particles. History of stars begin with the collapse of an interstellar cloud made of gas and dust. Dust is mainly composed of Mg-rich amorphous silicates. In first stages of star formation, the diffuse mixture of gas and dust is dragged out by stellar winds and radiations to form a accretion disk in orbital motion around the new burning body. Then, processing of dust occurs. One consequence is an impressive amorphous-crystal transition known as the ‘crystalline revolution’. A mineral zoning appears along the disk with the formation of two major Mg-rich crystalline silicates, forsterite and enstatite. Two mechanisms can account for the formation of these two phases from the in-falling amorphous dust : evaporation-condensation and solid crystallization. The present work focuses on the solid state crystallization process in order to give support for the interpretation of the mineralogical zoning. First, a sol-gel synthesis is worked out to produce amorphous and porous magnesium and calcium rich silicates as analogs of interstellar dust. Second, their crystallization behavior is studied by x-ray diffraction and by transmission electron microscopy. Main results are an enhanced nucleation and a sequenced crystallization with systematic Mg- or Ca- enriched crystalline phases formed at first. Using a material science frame, the results are discussed in the context of the mineralogical zoning in disks and the occurrence of crystalline silicates in extraterrestrial objects such as interplanetary dust particles, comets and meteorites.