Découverte d’un type extrêmement rare d’oxyde de fer dans une ancienne poterie chinoise Archéomimétique, Physique

Parfois, l’étude des technologies du passé conduit à des découvertes remarquables qui peuvent aider à concevoir de meilleurs matériaux pour l’avenir. C’est la science peu connue de Archéomimétiquec’est-à-dire le développement de nouvelles technologies et de nouveaux matériaux inspirés d’anciens métiers et cultures.

En haut : réplique moderne d'un bol à thé Tenmoku avec des motifs de surface en taches d'huile. En bas : gros plan du motif en tache d'huile d'une ancienne vaisselle Jian. Crédit : Weidong Li / Zhi Liu.

En haut : réplique moderne d’un bol à thé Tenmoku avec des motifs de surface en taches d’huile. En bas : gros plan du motif en tache d’huile d’une ancienne vaisselle Jian. Crédit : Weidong Li / Zhi Liu.

Les habiles potiers de la dynastie Song (960-1279 CE) dans la province de Fujian, dans le sud-est de la Chine, ont produit certaines des pièces les plus exquises du monde ancien : les célèbres bols Jian sont caractérisés par leur glaçure noire brillante présentant des motifs de surface bruns ou argentés incroyablement riches et variables.

Ils étaient si prisés que trois des quatre bols Jian apportés au Japon par des moines bouddhistes japonais au XIVe siècle ont été désignés comme trésors nationaux dans l’archipel du Soleil Levant, où ils sont appelés “Yohen Tenmoku”.

Les objets en jian étaient produits en grande quantité à l’intérieur de grands fours appelés “kiln”. La température et l’atmosphère dépendaient fortement de l’emplacement exact à l’intérieur du four, ce qui explique la surprenante variété de motifs qui peuvent être produits dans la glaçure.

La majorité des bols présente des stries brunâtres appelées motifs “fourrure de lièvre”. Plus rarement, des taches rondes argentées forment les motifs dits “taches d’huile”.

Les céramiques jian ont été fabriquées à partir de l’argile locale riche en fer et leurs surfaces ont été recouvertes d’un mélange composé d’argile locale, de calcaire et de cendres de bois. À l’intérieur du four, la température atteint des valeurs d’environ 1 300 degrés Celsius (plus de 2 300 F), suffisantes pour faire fondre l’enduit qui formera finalement la glaçure. Les bulles d’oxygène présentes dans la glaçure liquéfiée ont déplacé les ions de fer vers la surface. Lorsque la glaçure se transformait en verre au cours du processus de refroidissement, le flux de fer fondu s’écoulait le long des parois des poteries et se cristallisait en oxydes de fer.

D’après les couleurs, on a supposé que les oxydes de fer qui se sont formés dans les motifs “fourrure de lièvre” étaient de l’hématite minérale, tandis que ceux qui ont cristallisé dans les motifs “taches d’huile” étaient de la magnétite minérale.

Cependant, une nouvelle étude publiée dans le journal Scientific Reports indique que ce n’est pas le cas et les résultats sont étonnants.

L’étude a été menée par une équipe internationale composée de Catherine Dejoie, Philippe Sciau et Laure Noé de France, Weidong Li, Kai Chen, Hongjie Luo et Zhi Liu de la République populaire de Chine et Apurva Mehta, Martin Kunz et Nobumichi Tamura des Etats-Unis.

En combinant différentes approches, notamment la microscopie optique, la microscopie électronique, la spectroscopie Raman et les techniques de rayons X synchrotron, l’équipe a montré que les cristaux contenus dans la glaçure du bol Jian “Oil spot” et responsables des motifs argentés sont constitués d’un ε-Fe de grande pureté.2O3 (la phase epsilon), un parent très rare et métastable du minéral hématite.

La glaçure “fourrure de lièvre” contient également la phase ε-Fe2O3mais en petite quantité, mélangé à de l’hématite.

” Nous avons ces cristaux qui doivent être des oxydes de fer d’après leurs compositions chimiques, mais pour lesquels les données de diffraction des rayons X et les spectres Raman ne correspondent à aucun des minéraux d’oxyde de fer courants, comme l’hématite, la maghémite ou la magnétite. À la fin et par désespoir, j’ai essayé cette phase epsilon à laquelle personne n’aurait pensé et à ma grande surprise, j’ai obtenu une correspondance parfaite”, a déclaré le Dr Catherine Dejoie de l’ETH Zurich, auteur principal de l’étude.

“Au fur et à mesure que nous en apprenons davantage sur cette phase epsilon, nous avons le sentiment d’être tombés sur quelque chose de très inattendu et potentiellement très important pour notre monde moderne”, a ajouté le Dr Philippe Sciau du CEMES, co-auteur de l’étude.

La surprise des scientifiques est légitime car l’insaisissable phase epsilon n’a été identifiée qu’en 1934 et sa structure cristalline était inconnue jusqu’en 1995 et n’a été complètement comprise qu’en 2005.

Ce qui rend ce composé technologiquement si intéressant, c’est qu’en 2004, on a découvert qu’il avait une coercivité géante de quelque 20 000 Oersteds. La coercivité est une mesure de la capacité de l’aimantation d’un matériau à résister aux changements induits par un champ magnétique externe.propriété pour l’utilité des aimants permanents.

La valeur de coercivité de la phase epsilon est plus de deux fois supérieure à celle des matériaux actuellement utilisés dans les supports de stockage électroniques et les cartes à bande magnétique (c’est-à-dire les cartes de crédit), comme l’hexaferrite de baryum BaFe12O19.

De plus, il y a des raisons de penser que la phase epsilon est magnétoélectrique, c’est-à-dire que sa propriété magnétique peut être influencée par un courant électrique et vice versa.

Ceci est intéressant dans les applications où l’on veut modifier un courant électrique par un champ magnétique variable, comme les composants électroniques très compacts et à faible consommation d’énergie. Le fait qu’elle ne contienne que deux éléments, le fer et l’oxygène, que l’on trouve en abondance sur terre, rend la perspective d’applications à grande échelle de la phase epsilon économiquement très attrayante.

Mais il y a un gros problème : elle est très difficile à fabriquer.

Les techniques de synthèse modernes n’ont réussi qu’à faire croître de minuscules cristaux, qui de plus contiennent toujours des quantités de contamination provenant d’autres phases comme l’hématite.

Dans le bol Jian avec le motif “tache d’huile”, la phase epsilon est pure et a été cultivée sous forme de cristaux d’un ordre de grandeur plus grand que son homologue synthétique moderne.

Elle présente également une microstructure complexe en 2D aux propriétés optiques intéressantes, qui sont à l’origine de l’aspect argenté remarquable des “taches d’huile”.

“Les anciens Chinois ont involontairement utilisé une méthode non conventionnelle pour produire la phase epsilon et comprendre comment ils l’ont fait est une clé qui pourrait nous conduire à une percée pour des applications potentielles”, a déclaré le Dr Weidong Li, co-auteur de l’étude, de l’Institut des céramiques de Shanghai.

En d’autres termes, les anciens Chinois ont réussi à stabiliser une phase unique dans leurs bols de Jian, qui pourrait avoir une importance technologique immense à l’avenir.

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