Les chercheurs recréent les conditions de la Terre profonde pour voir comment le fer résiste à un stress extrême. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
De nouvelles observations de la structure atomique du fer révèlent qu’il subit un « jumelage » sous des contraintes et des pressions extrêmes.
Loin en dessous de vous se trouve une sphère de fer et de nickel solides à peu près aussi large que la partie la plus large du Texas : le noyau interne de la Terre. Le métal du noyau interne est soumis à une pression environ 360 millions de fois supérieure à celle que nous connaissons dans notre vie quotidienne et à des températures approximativement aussi chaudes que la surface du Soleil.
Le noyau planétaire de la Terre est heureusement intact. Mais dans l’espace, des noyaux similaires peuvent entrer en collision avec d’autres objets, provoquant une déformation rapide des matériaux cristallins du noyau. Certains astéroïdes de notre système solaire sont des objets en fer massifs que les scientifiques soupçonnent d’être les restes de noyaux planétaires après des impacts catastrophiques.
Mesurer ce qui se passe lors de la collision des corps célestes ou au cœur de la Terre n’est évidemment pas très pratique. En tant que tel, une grande partie de notre compréhension des noyaux planétaires est basée sur des études expérimentales des métaux à des températures et des pressions moins extrêmes. Mais des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’Énergie ont observé pour la première fois comment la structure atomique du fer se déforme pour s’adapter aux contraintes des pressions et des températures qui se produisent juste à l’extérieur du noyau interne.
Les résultats apparaissent dans Lettres d’examen physique, où ils ont été mis en évidence en tant que suggestion de l’éditeur.
Gérer le stress
La plupart du fer que vous rencontrez dans votre vie quotidienne a ses atomes disposés en cubes nanoscopiques, avec un fer atome à chaque coin et un au centre. Si vous pressez ces cubes en appliquant des pressions extrêmement élevées, ils se réorganisent en prismes hexagonaux, ce qui permet aux atomes de s’entasser plus étroitement.
Les atomes de fer forment un réseau hexagonal à haute pression. Sous des pressions encore plus élevées et une déformation ultrarapide, le réseau de fer se réorganise via un processus appelé « jumelage ». Crédit : S. Merkel/Université de Lille, France
Le groupe du SLAC voulait voir ce qui se passerait si vous continuiez à appliquer une pression sur cet arrangement hexagonal pour imiter ce qui arrive au fer au cœur de la Terre ou lors de la rentrée atmosphérique depuis l’espace. «Nous n’avons pas tout à fait créé les conditions de base», explique la co-auteure Arianna Gleason, scientifique à la division High-Energy Density Science (HEDS) du SLAC. “Mais nous avons atteint les conditions du noyau externe de la planète, ce qui est vraiment remarquable.”
Personne n’avait jamais observé directement la réponse du fer au stress sous des températures et des pressions aussi élevées auparavant, les chercheurs ne savaient donc pas comment il réagirait. “Alors que nous continuons à le pousser, le fer ne sait pas quoi faire avec ce stress supplémentaire”, explique Gleason. “Et il doit soulager ce stress, alors il essaie de trouver le mécanisme le plus efficace pour le faire.”
Le mécanisme d’adaptation que le fer utilise pour faire face à ce stress supplémentaire est appelé « jumelage ». L’arrangement des atomes dérive sur le côté, faisant pivoter tous les prismes hexagonaux de près de 90 degrés. Le jumelage est une réponse de pression courante dans les métaux et les minéraux – le quartz, la calcite, le titane et le zirconium subissent tous un jumelage.
“Le jumelage permet au fer d’être incroyablement fort – plus fort que nous ne le pensions au départ – avant qu’il ne commence à s’écouler plastiquement sur des échelles de temps beaucoup plus longues”, a déclaré Gleason.
L’histoire de deux lasers
Atteindre ces conditions extrêmes nécessitait deux types de lasers. Le premier était un laser optique, qui générait une onde de choc qui soumettait l’échantillon de fer à des températures et des pressions extrêmement élevées. Le second était le laser à électrons libres Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, qui a permis aux chercheurs d’observer le fer à un niveau atomique. « À l’époque, le LCLS était le seul établissement au monde où vous pouviez faire cela », explique l’auteur principal Sébastien Merkel de l’Université de Lille en France. “Cela a ouvert la porte à d’autres installations similaires dans le monde.”
L’équipe a tiré les deux lasers sur un minuscule échantillon de fer de la largeur d’un cheveu humain, frappant le fer avec une onde de choc de chaleur et de pression. “La salle de contrôle est juste au-dessus de la salle d’expérimentation”, explique Merkel. « Quand vous déclenchez la décharge, vous entendez un fort pop. »
Lorsque l’onde de choc a frappé le fer, les chercheurs ont utilisé le laser à rayons X pour observer comment le choc a modifié la disposition des atomes de fer. « Nous avons pu effectuer une mesure en un milliardième de seconde », explique Gleason. « Congeler les atomes là où ils se trouvent dans cette nanoseconde est vraiment excitant. »
Les chercheurs ont collecté ces images et les ont rassemblées dans un flipbook qui montrait une déformation du fer. Avant la fin de l’expérience, ils ne savaient pas si le fer réagirait trop rapidement pour qu’ils puissent le mesurer ou trop lentement pour qu’ils puissent le voir. “Le fait que le jumelage se produise à une échelle de temps que nous pouvons mesurer est un résultat important en soi”, a déclaré Merkel.
L’avenir est prometteur
Cette expérience sert de serre-livres pour comprendre le comportement du fer. Les scientifiques avaient rassemblé des données expérimentales sur la structure du fer à des températures et des pressions plus basses et les avaient utilisées pour modéliser le comportement du fer à des températures et des pressions extrêmement élevées, mais personne n’avait jamais testé expérimentalement ces modèles.
“Maintenant, nous pouvons donner un coup de pouce à certains modèles physiques pour des mécanismes de déformation vraiment fondamentaux”, a déclaré Gleason. « Cela aide à renforcer certaines des capacités prédictives qui nous font défaut pour modéliser la réaction des matériaux dans des conditions extrêmes. »
L’étude fournit des informations intéressantes sur les propriétés structurelles du fer à des températures et des pressions extrêmement élevées. Mais les résultats sont également un indicateur prometteur que ces méthodes pourraient aider les scientifiques à comprendre également le comportement d’autres matériaux dans des conditions extrêmes.
« L’avenir est prometteur maintenant que nous avons développé un moyen de faire ces mesures », déclare Gleason. “La récente mise à niveau de l’onduleur à rayons X dans le cadre du projet LCLS-II permet des énergies de rayons X plus élevées – permettant des études sur des alliages et des matériaux plus épais qui ont une symétrie plus faible et des empreintes de rayons X plus complexes.”
La mise à niveau permettra également aux chercheurs d’observer des échantillons plus grands, ce qui leur donnera une vue plus complète du comportement atomique du fer et améliorera leurs statistiques. De plus, « nous allons obtenir des lasers optiques plus puissants avec l’approbation de procéder à une nouvelle installation phare de laser pétawatt, connue sous le nom de MEC-U », déclare Gleason. « Cela rendra les travaux futurs encore plus excitants, car nous pourrons accéder aux conditions du noyau interne de la Terre sans aucun problème. »
Référence : « Femtosecond Visualization of hcp-Iron Strength and Plasticity under Shock Compression » par Sébastien Merkel, Sovanndara Hok, Cynthia Bolme, Dylan Rittman, Kyle James Ramos, Benjamin Morrow, Hae Ja Lee, Bob Nagler, Eric Galtier, Eduardo Granados, Akel Hashim, Wendy L Mao et Arianna E Gleason, 9 novembre 2021, Lettres d’examen physique.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.205501
Des chercheurs du Laboratoire national de Los Alamos (LANL) ont contribué à cette étude. Le financement a été fourni par l’Université de Lille, une subvention de recherche et développement dirigée par le laboratoire LANL Reines et le DOE Office of Science, y compris le DOE Early Career Award de Gleason en sciences de l’énergie de fusion. LCLS est une installation utilisateur du DOE Office of Science.
