Structures des verres et des liquidesG. Calas, L. Cormier, G. Ferlat, L. Galoisy, G. Lelong, M-L. Saboungi

La modélisation des propriétés physico-chimiques des verres et liquides silicatés et l'évolution de ces propriétés en fonction de leur composition chimique, de la température ou de la pression, ou encore de forçages externes (altération, irradiation...) repose sur une compréhension des propriétés structurales de ces matériaux.

Cependant, la nature amorphe et la composition chimique complexe des verres ne permettent pas l'élaboration d'un modèle structural univoque, contrairement à ce qui est possible dans les composés cristallisés. Mais, si les verres manquent de périodicité et d'ordre à grande distance, ils possèdent un ordre à courte distance caractéristique, qui obéit aux mêmes règles cristallochimiques que dans les cristaux et permet d'en rationaliser la structure.

La structure des verres d’oxydes est classiquement décrite comme résultant d’une interaction entre des éléments dits formateurs de réseaux, ayant une signification de polyanions pouvant se polymériser entre eux (groupements silicatés, boratés...), et des cations qui peuvent avoir un rôle de modificateur (dépolymérisation du réseau vitreux) ou un rôle de compensateur de charge (lorsqu'il existe des déficits de charge locaux). Les problématiques structurales associées à ces différents types de constituants sont diverses :

• topologie des formateurs de réseau.
  Les propriétés structurales des réseaux vitreux dépendent de la connectivité entre les polyanions rigides. Nous étudions l'organisation structurale de réseaux "simples" dans des systèmes modèles, comme GeO2 ou B2O3. La connaissance approfondie de ces systèmes, sur lesquels travaille une large communauté scientifique, permet une meilleure compréhension de problèmes fondamentaux (e.g. polyamorphisme) et constitue le point de départ de la description de verres plus complexes (e.g. réseaux mixtes boro-silicatés). 

• variations et distributions des environnements locaux cationiques.
  L'environnement structural des cations est moins bien défini que celui des polyanions, en relation avec la nature ionique des liaisons chimiques. La variation de cet environnement en fonction de la composition des verres ou de leurs conditions de formation continue à rester un des challenges majeurs de la science des verres. En effet, ces cations sont à l'origine de l'évolution de nombreuses propriétés physico-chimiques, comme la couleur, la résistance chimique, les propriétés mécaniques, la séparation de phases ou la nucléation cristalline, ainsi que les propriétés de transport (viscosité, conductivité électrique ou ionique). Nous avons montré l'importance de la coordinance 5 pour de nombreux cations dans les verres, à l'origine de propriétés originales comme la coloration brune des verres au nickel ou la rhéologie inhabituelle des liquides aluminosilicatés calciques. Même dans le cas d'un cation comme Fe 3+, typiquement décrit comme étant formateur de réseau (tétraédrique), il est possible d'observer une proportion de cations en site 5. Un autre résultat important obtenu dans l'équipe concerne la distribution hétérogène des cations au sein de la structure vitreuse, comme par exemple dans le cas du titane. Cette localisation des cations dans des domaines où ils se retrouvent concentrés permettent d'expliquer les propriétés magnétiques, optiques ou encore les processus de nucléation.

• polyamorphisme

• modifications structurales à haute température

Notre équipe est fortement impliquée dans les études structurales de verres simulant les matrices de stockage pour les déchets de haute activité. Nous avons notamment montré comment l'environnement spécifique d'éléments comme Zr ou Mo permettait d'expliquer le rôle important qu'ils jouent dans les propriétés des matrices de stockage.