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Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie
UMR 7590 - Sorbonne Université/CNRS/MNHN/IRD

Soutenance de thèse de Léon Andriambariarijaona

Léon Andriambariarijaona, doctorant dans l'équipe PHYSIX, soutient sa thèse le mercredi 31 mars 2021 à 14 par visioconférence.

Etude expérimentale des diagrammes de phase de l'hémihydrate et du dihydrate d'ammoniac sous haute pression

Résumé

Les études des mélanges H2O/NH3 sous conditions extrêmes de pression et de température présentent des intérêts pluridisciplinaires : ces systèmes sont importants d’une part, pour les sciences planétaires car ils sont les composés majoritaires des intérieurs des planètes glacées (Neptune et Uranus) et d’autre part, pour la physique fondamentale car ils permettent d’étudier la liaison Hydrogène et la délocalisation du proton à haute densité. Jusqu’à présent, leurs propriétés sous hautes pressions et hautes températures étaient cepependant très mal connues.

Dans ce travail de thèse, je me suis focalisé sur la détermination expérimentale des diagrammes de phases haute pression-haute température de deux compositions du mélange eau /ammoniac : à savoir l’hémihydrate d’ammoniac (AHH) de stoechiométrie (1/2H2O, NH3) et le dihydrate d’ammoniac (noté ADH) de stoechiométrie (2H2O, NH3).Nous avons déterminé leurs diagrammes de phase respectifs jusqu’à 80 GPa à température ambiante et à haute température [300-700 K] de 0 à 35 GPa en combinant des expériences de diffraction des RX, de spectroscopies Raman et Infrarouge en cellule à enclumes de diamant.

Pour AHH, quatre phases solides ont été observées : AHH-II, AHH-III, AHH-V et une nouvelle phase notée AHH-IV. Nous avons déterminé avec précision l’ensemble des lignes de transitions entre ces phases, ainsi que la courbe de fusion. Parmi ces phases, les phases III et V adoptent toutes deux la même structure bcc mais nous avons montré que leur nature est différente : la phase V, qui est la phase stable à haute pression et température modérée, est un alliage ionico-moléculaire avec un désordre protonique statique tandis que la phase III, phase stable à haute température est probablement une phase plastique avec un désordre protonique dynamique.

Pour ADH, nous reportons pour la première fois le diagramme de phase expérimental à haute pression-haute température. Nous avons montré l’existence de deux nouvelles phases, notées ADH-VI et ADH-VIII, ainsi que la présence de deux solides (VIIa et VIIb) en coexistence et dont les stoechiométries varient avec la pression et la température. Nous avons déterminé la structure de l’ensemble de ces phases, ainsi que la courbe de fusion. Comme dans l’AHH, nous reportons l’existence d’un alliage ionico-moléculaire avec un désordre protonique statique, la phase ADH-V, et également une phase plastique, la phase ADH-VIII.

 

Experimental study of the phase diagrams of ammonia hemihydrate and dihydrate under high pressure

Abstract

Studies of H2 O / NH3 mixtures under extreme conditions of pressure and temperature present multidisciplinary interests : these systems are important on the one hand, for planetary sciences because they are the majority compounds of the interiors of planets (Neptune and Uranus) and on the other hand, for fundamental physics because they allow to study the hydrogen bond and the delocalization of the proton at high density. Until now, their properties under high pressures and high temperatures were, however, very poorly understood.

In this thesis work, I focused on the experimental determination of the high pressurehigh temperature phase diagrams of two compositions of the water / ammonia mixture : namely ammonia hemihydrate (AHH) of stoichiometry (1/2H2O, NH3) and ammonia dihydrate (noted ADH) with stoichiometry (2H2O, NH3).We determined their respective phase diagrams up to 80 GPa at room temperature and at high temperature [300-700 K] from 0 to 35 GPa by combining X-ray diffraction experiments, Raman and Infrared spectroscopy in anvil cell. diamond.

For AHH, four solid phases were observed : AHH-II, AHH-III, AHH-V and a new phase denoted AHH-IV. We have precisely determined all the lines of transitions between these phases, as well as the melting curve. Among these phases, phases III and V both adopt the same bcc structure but we have shown that their nature is different : phase V, which is the phase stable at high pressure and moderate temperature, is an ionic-molecular alloy with a static proton disorder while phase III, stable phase at high temperature is probably a plastic phase with dynamic proton disorder.

For ADH, we report for the first time the high pressure-high temperature experimental phase diagram. We have shown the existence of two new phases, denoted ADH-VI and ADH-VIII, as well as the presence of two solids (VIIa and VIIb) in coexistence and whose stoichiometries vary with pressure and temperature. We have determined the structure of all these phases, as well as the melting curve. As in AHH, we report the existence of an ionic-molecular alloy with a static proton disorder, the ADH-V phase, and also a plastic phase, the ADH-VIII phase.

Jury

  • Mme Sanchez-Valle Carmen - Professeure, Universität Münster – Rapportrice
  • M. Desgreniers Serge - Professeur, Université d'Ottawa – Rapporteur
  • M. Finocchi Fabio - Directeur de Recherche, CNRS – Examinateur
  • Mme Ravasio Alessandra - Chargée de recherche, CNRS – Examinatrice
  • M. Guignot Nicolas - Scientifique de ligne, SOLEIL – Examinateur
  • M. Datchi Frédéric- Directeur de recherche, CNRS – Directeur de thèse
  • Mme Ninet Sandra - Maître de conférence, Sorbonne Université – Encadrante de thèse

Cécile Duflot - 29/03/21

Traductions :

    Zoom Science - Confinement de l’uranium par la formation de complexes ternaires de surface dans l’environnement post-minier - Mars 2021

    Les verses à stériles, héritage de l’extraction minière de l’uranium sont des environnements contrôlés par les autorités gouvernementales ainsi que les compagnies minières. En France, ces haldes sont majoritairement granitiques, composées de roches de l’encaissant (la concentration en uranium d’un granite...

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