Multienclumes

MULTIENCLUMES

En minéralogie, il existe deux conditions clés à la synthétisation d’un minéral : température et pression température et pression. Ce dernier paramètre physique tente d’être maîtrisé au sein des laboratoires afin de découvrir la composition minéralogique qui règne au plus profond de notre planète. Seulement, reproduire les pressions du manteau n’a pas toujours été une affaire facile…

Pour référence sachez que la pression atmosphérique est de 1 bar (=10⁵Pascal), au fond des océans les plus profonds on arrive à atteindre les 1 000 bars. Cependant, nous somme encore loin des 360 GPa qui règne au centre de la Terre…

Enorme défi lancé à la communauté scientifique que celui de réussir à atteindre ces pressions…

Dans cet article nous présenterons les différentes techniques dans l’ordre chronologique, mises au point par les scientifiques du monde entier.

Petit rappel :

P = F / S

P = pression F = force exercée sur une surface donnée (en Newton) S = surface (en m²)

Donc afin d’augmenter la pression, soit l’on augmente la force exercée sur l’échantillon, soit l’on diminue la surface exposée à la force.

HISTORIQUE

• En 1946, l’américain Percy W. Bridgman (1882-1961) recevra le prix Nobel de physique grâce à ses travaux sur les hautes pressions. Son « piston-cylindre » présente une enceinte de confinement percée d’un trou cylindrique dans lequel est placé l’échantillon comprimé entre deux pistons. Seulement, son invention rencontre des limites… comme nous l’avons dit auparavant la pression dépend de la force que l’on est capable d’exercer, limitée par la résistance des matériaux employés. Le carbure de tungstène sera ainsi rapidement utilisé : il pourra supporter jusqu’à 5 GPa.

• Apparaîtra ensuite la presse "Belt" dans lequel l'échantillon se situe dans un anneau de confinement, élaborée par l'équipe de Hall elle permet d'atteindre les 10 GPa et les 2500°C ! Ainsi aura lieu la première synthèse de diamant en 1954.

• Hall continuera ses recherches à l'élaboration de ces presses et développera un nouveau dispositif : la presse à multienclumes. Il augmente la force subie par l'échantillon en l'exerçant sur chacunes de ses facettes, l'emploi se fait avec 4 ou 6 pistons.

• Les équipes japonaises joueront également un grand rôle dans cette course aux grandes pressions et étendront les capacités des presses à multienclumes. Désormais un octaèdre est comprimé par 8 cubes de carbure de tungstène, soit 25 GPa atteint (environ -700 km de profondeur).

• 700 km ... cela laisse une grande partie du globe inexplorée... Ainsi pour palier à cette limite le National Bureau of standards développera l'un des outils les plus puissants de la géophysique : la cellule à enclumes de diamant (CED).

Le principe ? Celui de Brigman... et oui ! seulement en sélectionnant le matériau le plus solide, soit le diamant ... et réduisez la taille de surface afin d'élever de nouveau la pression produite. Désormais, grâce à ce principe nous atteignons les 300 GPa soit une profondeur de 4600 km !