Fusion, structure et diagramme de phases des glaces d’eau et d’ammoniac sous conditions extrêmes de pression et de température

Fusion, structure and phase diagram of water ice and ammonia under extreme conditions of pressure and temperature

• Auteur / Autrice : Jean-Antoine Queyroux
• Direction : Frédéric Datchi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2017
• 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 : Président / Présidente : Bertrand Guillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamed Mezouar, Gunnar Weck, Sandra Ninet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Claire Levelut, Andrea Di Cicco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hautes pressions

Fusion (chimie physique)

Ammoniac

Mots clés libres

Fusion

Eau

Ammoniac

Haute pression

Liquide

Structure

Fusion

Water

Ammonia

Résumé

Cette thèse a pour objectif d’explorer les courbes de fusion, les structures et les diagrammes de phases de H2O et NH3 à haute pression et haute température. Malgré la multitude d’études sur ces composés, des incertitudes importantes existent sur leur diagramme de phase. Dans ce travail, de nouvelles approches expérimentales ont permis d’obtenir par diffraction des rayons X et par diffusion Raman, de nouvelles données concernant les diagrammes de phase, la fusion et la stabilité chimique de NH3 et H2O dans une large gamme P-T (P<70 GPa, T<3000 K). Pour NH3, nos travaux ont permis d’établir la courbe de fusion jusqu’à 40 GPa et 2300 K. La température de fusion croît de façon monotone avec la pression, en désaccord avec une étude précédente mais conforme avec des prédictions théoriques. Nous observons une décomposition chimique de NH3 en N2 et H2 à haute température dont l’importance varie avec la pression. L’exploration du diagramme de phase a permis de contraindre la position du point triple NH3-III/superionique/fluide. Nous présentons aussi les premières données sur l’évolution de la structure et de la densité du liquide NH3 à pression variable à 800 K. Pour H2O, nous avons déterminé la courbe de fusion jusqu’à 45 GPa et 1500 K. Nous constatons une rupture de pente vers 15 GPa et une température de fusion plus élevée que prévue par l’extrapolation des données basse pression, en meilleur accord avec la « limite haute » des courbes de fusion de la littérature. Nous observons par ailleurs des indices d’une transition de phase au-delà de 25 GPa et 1000 K vers une phase cubique centrée différente de la phase VII. La possibilité que cette phase soit superionique est discutée.

The objective of this thesis is to explore melting curves, structures and phase diagrams of H2O and NH3 at high pressure and high temperature. Despite the several studies on these compounds, there are significant uncertainties in their phase diagrams. In this work, new experimental approaches of X-ray diffraction and Raman scattering resulted in new data on phase diagrams, melting and chemical stability of NH3 and H2O in a wide range of P-T (P<70 GPa, T<3000 K). For NH3, we have determined the melting curve up to 40 GPa and 2300 K. The melting temperature increases monotonically with pressure, contrary to a previous study but in accordance with theoretical predictions. We observe a chemical decomposition of NH3 into N2 and H2 at high temperature, the importance of this decomposition varies with pressure. Exploration of the phase diagram made it possible to constrain the position of the triple point NH3-III/superionic/fluid. We also present the first data on the evolution of the structure and density of NH3 liquid with variable pressure at 800 K. For H2O, we have determined the melting curve up to 45 GPa and 1500 K. We note a slope failure towards 15 GPa and a higher melting temperature than predicted by the extrapolation of the low pressure data, in better agreement with the ''upper limit'' of the melting curves of the literature. In addition, we observe indications of a phase transition beyond 25 GPa and 1000 K towards a cubic phase centred that is different of phase VII. The possibility of this phase being superionic is discussed.