Etude du diagramme de phases des solutions d'électrolytes sous conditions extrêmes

Exploring the phase diagram of electrolyte solutions under extreme conditions

• Auteur / Autrice : Adriaan-Alexander Ludl
• Direction : Antonino Marco Saitta, Livia Eleonora Bove
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/09/2015
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Isabelle Daniel, Thomas Loerting, Rodolphe Vuilleumier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Paola Gallo, Alfonso San Miguel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structure cristalline (solides)

Diffraction

Mots clés libres

Glace

Sel

Diffraction

Haute pression

Structure cristalline

Phases amorphes

Solutions

Amorphous phases

Crystal structure

Résumé

L’étude des phases amorphes et cristallines de solutions permet est d'un fort intérêt pour la biologie et la planétologie. Le but de cette thèse est l’exploration du diagramme de phase des solutions d’électrolytes (LiCl et NaCl dans l’eau) sous des conditions de pression et température typiques des corps glacés tels Europe et Ganymède (de 77 à 300 K et jusqu’à 5 GPa). Nous avons étudié des phases de glaces amorphes et cristallines pouvant incorporer des quantités considérables de sel (jusqu’à 10 % de masse de sel). En outre de la mise en évidence de phases de glace salées, nous avons caractérisé deux propriétés exotiques induites sous pression, à savoir le polyamorphisme et l’inclusion des ions dans le réseau de la glace. Nous avons produit des échantillons de phase amorphe de solutions de NaCl dans l’eau par trempe rapide à 77 Kelvin. Nos expériences de diffraction de neutron et de rayons X montrent que la structure locale de cette phase amorphe est très similaire de celle de la phase haute densité de l’eau pure. Nos expériences haute pression avec la presse Paris-Edinbourg et nos calculs de dynamique moléculaire montrent que la densité et la structure évoluent de manière continue en compression jusqu’à 4 GPa. La possibilité d’inclusion du sel (NaCl) dans le réseau de la glace VII sous pression dans nos expériences est analysée en comparaison avec des simulations utilisant la théorie de la densité fonctionnelle. La glace VII qui cristallise dans nos expériences est soit pure, soit elle contient une fraction faible des ions de la solution mère. Il est possible que des quantités de sel plus grandes puissent être incorporées à des pressions plus élevées.

The study of amorphous and crystalline phases of solutions gives essential insight on the behaviour of water under conditions relevant for biology and planetary science. The aim of this work is the exploration of the phase diagram of common electrolyte solutions (LiCl-water, NaCl-water) under pressure and temperature conditions (from 77 K to 330 K and up to 5 GPa) relevant for icy bodies such as Europe and Ganymede. In experiments and simulations we search for crystalline phases of ice at high-pressure, which can contain considerable amounts of salt in their lattice (up to 10 % of by weight). We probe the existence of these salty ices, and characterize two exotic, pressure induced properties, polyamorphism and ionic inclusions in the ice lattice. We have produced highly concentrated amorphous solutions of NaCl in water by fast quenching to liquid nitrogen temperature. Our neutron and X-ray diffraction experiments show that the local structure of this amorphous solution at ambient pressure is very similar to the high density amorphous structure of pure water. Our high-pressure experiments with the Paris-Edinburgh cell and our classical Molecular Dynamics calculations show only smooth structure and density changes during compression up to 4 GPa. We discuss the possibility of salt (NaCl) inclusions in the ice VII lattice at high pressure in our experiments by complementary calculations based on Density Functional Theory. The ice VII which crystallized in our experiments is either pure ice, or it contains only a small fraction of the ions from the solution. It may be possible that ions can be included in larger quantities at higher pressures.