Projet ANR-15-CE30-0008 – SUPER-ICES : Phases superioniques, ioniques et symétriques dans les mélanges de glace (H2O, NH3, CH4) sous conditions extrêmes
Programme : Défi de tous les savoirs (DS10) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Madame sandra ninet (Institut de Minéralogie de Physique des Matériaux et de Cosmochimie)
Partenaires : Laboratoire public
Montant : 275205.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 48 mois
Résumé : Nous proposons d’explorer les propriétés des mélanges de glaces d’eau, d’ammoniac et de méthane sur une large gamme de pression (1-100 GPa) et de température (100-2000 K). Ces mélanges sont omniprésents dans l’univers, en particulier sous conditions extrêmes à l’intérieur des planètes géantes glacées (Neptune, Uranus), leurs satellites (Titan, Ganymède) et les planètes extrasolaires. Bien que ces mélanges soient composés de molécules simples, leurs propriétés restent largement inconnues à très haute densité. Jusqu’à présent, seules les glaces pures ont été étudiées en détail. Ces travaux ont mis en évidence d’intéressantes et surprenantes propriétés : trois phases « exotiques », dénommées superionique, ionique et symmétrique, ont été découvertes dans les glaces d’eau et d’ammoniac autour de 1 Mbar (=100 GPa). Dans ces états, les liaisons chimiques, qu’elles soient covalentes ou des liaisons hydrogène (H), sont fortement modifiées. En particulier, la phase superionique est un état spectaculaire de la matière, présentant à la fois un caractère cristallin (le réseau d’ions fixes) et liquide (les ions diffusant). Les glaces superioniques d'eau et d'ammoniac sont prédites comme de très bons conducteurs protoniques et leur existence dans les mélanges (si démontré expériementalement) permettrait d'expliquer les champs magnétiques particuliers observés sur les planètes glacées.
En plus de son intérêt en physique de la matière condensée et en planétologie, ce projet devrait avoir de fortes retombées dans plusieurs disciplines incluant la chimie, la science des matériaux et la biologie. En effet, les mélanges sont des idéaux pour étudier les 4 liaisons hydrogènes les plus importantes O...H-O, N...H-N, O...H-N et N...H-O et le mécanisme de transfert de proton le long de ces liaisons. Ce sujet  a des applications directes et permettrait de comprendre des phénomènes aussi diversifiés que la courbe de fusion élevée de l'eau, la forme des protéïnes et la photosynthèse. Les études haute pressions sont pertinentes car elles permettent de faire varier la force de la liaison hydrogène (grâce à la réduction des longueurs des liaisons H sous pression) tout en préservant l'environnement chimique. Enfin, la compréhension des relations structures/propriétés et du mécanisme de délocalisation du proton dans ces systèmes simples pourrait être utile pour le développement et la synthèse de nouveaux matériaux superioniques qui sont actuellement extrêmement recherchés dans les batteries "tout solide".
Ce projet mettra l’accent sur trois mélanges binaires : H2O/NH3, H2O/CH4 et NH3/CH4. En particulier, nous chercherons à déterminer si les processus d’ionisation et/ou de symétrisation, prédit respectivement pour les hydrates d’ammoniac et les clathrates de méthane à des conditions thermodynamiques relativement douces (10-40 GPa) par rapport aux corps purs, sont réalistes. Nous étendrons nos études à haute température pour vérifier si une phase superionique existe ou si la présence de méthane bloque le transfert protonique. Plusieurs caractérisations « in situ » seront mises en oeuvre (spectroscopies Raman et IR, diffraction des RX et des neutrons) et nous nous appuierons sur de nouveaux calculs ab initio. Nous développerons une nouvelle méthode pour mesurer l’impédance électrique d’échantillon sous haute pression en cellule à enclumes de diamant afin de mesurer la conductivité protonique à haute pression et haute température. Ce denier développement sera un atout majeur pour la communauté haute pression et devrait rencontrer des applications multiples en physique, géophysique et sciences des matériaux. La coordinatrice du projet et les membres impliqués dans ce projet possèdent l'expertise nécessaire et les capacités de mener à bien ce projet ambitieux mais avec des buts réalistes.