Projet Recherche 2004-2007

EA 3325 - L.G.P.M.C.

LABORATOIRE DE GEOSCIENCES ET PHYSIQUE DE LA MATIERE CONDENSEE

Equipe interne : Groupe Physique de la Matière Condensée : R. Garrigos - J. M. Boyer - Michaël Meyer - T. Quiniou (40%)

en collaboration avec l'Université. Paris VI (V. Cabuil) et l'Université de Pavia ( Italie)

La situation particulière du territoire vis-à-vis de ses ressources minières incite à développer les connaissances, fondamentales et appliquées, sur le nickel. Il se trouve que, si les propriétés physiques du nickel massif sont bien connues, on ne sait rien ou presque rien de ce matériau utilisé sous forme dispersée (poudres, condensats, nanocristaux). Or cet état de la matière revêt une importance très grande dans de nombreux domaines

Du fait d'un très grand rapport surface/volume, ces systèmes possèdent des propriétés physiques très différentes de celles du même matériau utilisé à l'état massif. On connaît déjà certaines de ces propriétés grâce à des travaux menés sur Au, Pb, In, Ga, Sn. Il apparaît certaines propriétés communes aux dispersions et d'autres plus spécifiques au matériau étudié. Par exemple on a trouvé que, pour tous les matériaux dispersés cités ci-dessus, la température de fusion des nanocristaux diminue quand on abaisse leur taille. Cet effet qui va à l'encontre des connaissances générales n'est pas marginal quand on sait qu'un nanocristal de plomb d'une taille de quelques nanomètres a un point de fusion environ 150°C inférieur à celui du massif (328°C). Si l'on applique au cas du nickel les modèles théoriques existants, avec comme donnée le point de fusion du massif à 1453°C, la dispersion et le confinement devraient permettre d'abaisser cette température jusque vers 878°C, ce qui représente un écart considérable. Ce résultat doit être confirmé par l'expérience.

Les particules dispersées présentent aussi une bistabilité de phase: dans un certain domaine de températures DT, la phase (S ou L) dépend du fait que l'on y accède par valeurs inférieures ou supérieures. Ce phénomène qui a été observé sur plusieurs des matériaux cités est particulièrement important pour Ga (DT ~ 200°C). On ne sait pas si le nickel divisé possède la même propriété.

Le nanocristal existe parfois sous une phase cristalline différente de celle du matériau massif. Par exemple, Ga est orthorhombique à l'état massif et, suivant la taille, ses nanocristaux peuvent se trouver sous d'autres phases cristallines comme la phase cubique. Le point de fusion en est évidemment très affecté. Dans le cas du nickel, où le massif est cubique cfc, on peut se demander si d'autres variétés cristallines existent à l'état divisé.
D'un point de vue plus pratique, ces travaux doivent contribuer à une meilleure connaissance des phénomènes de frittage et aux possibilités d'emploi du nickel comme catalyseur de réactions chimiques. En effet, un matériau divisé, par sa très grande surface effective, possède une réactivité plus forte que le même matériau massif
Les mesures thermodynamiques (température de fusion) présentent aussi un intérêt pratique. On sait que les composants électroniques décroissent en taille au fur et à mesure du progrès de la technique; les prospectives en la matière prévoient que certaines limites seront atteintes dans deux décennies, avec le transistor et les mémoires à un électron. Les autres composants des circuits électroniques suivent une évolution similaire. Le nickel est le composant principal du nickel-chrome (Ni 80%, Cr 20%), alliage utilisé pour fabriquer des résistances électriques à couches métalliques. L'un des problèmes qui se posera certainement dans l'avenir est la faible dimension des conducteurs traversés de plus par des courants grandissants. Ces conducteurs présentent sur leur bords des fortes courbures analogues à celles des nanocristaux. Cette forte courbure est la cause de l'abaissement de la température de fusion. On peut prévoir que cet effet conduira à une application industrielle qui justifie une recherche sur les systèmes de basse dimensionnalité.

L'équipement actuel constitué d'un diffractomètre de rayons X et d'un module thermique couvrant la gamme de températures -196°C, +450°C nous permet de mener et de développer notre thématique sur les composés nickélifères. Nos travaux récents sur les nanoparticules d'hydroxyde de nickel ont permis de mettre en évidence l'effet de taille thermodynamique lors de la transformation de phase minérale hydroxyde de nickel - oxyde de nickel, confirmant l'importance du rapport surface/volume sur les propriétés de la matière à l'état divisé. Une étude similaire est actuellement en cours sur un hydroxyde composé de nickel-cobalt
Nous pensons acquérir prochainement un module haute température pour étudier les transitions de phase d'état de nanoparticules de nickel pur.

Cette recherche est menée en collaboration avec une équipe de métropole et une équipe italienne. Les tâches des trois équipes sont définies comme suit :

Au L.G.P.M.C. de l'U.N.C. (Pr. Robert Garrigos, Jean-Marc Boyer, Maître de Conférences et Bernard Repetti, Ingénieur de Recherche). Etude thermodynamique d'ensembles de nanocristaux de nickel à l'aide de la diffraction des rayons X.
oAu Dipartimento di Fisica de l'Université de Pavia (Pr. Angelo Stella) : Propriétés optiques d'ensembles de nanocristaux de nickel.
Au Laboratoire de Physique de la Matière Condensée de l'Université de Nice-Sophia Antipolis (Pr. Richard Kofman) : fabrication d'ensembles de nanocristaux de nickel et caractérisation par microscopie électronique en transmission.

Un étudiant calédonien, Michaël Meyer, aujourd'hui Maître de Conférences à l'UNC, détenteur d'un DEA de Matière Condensée au Laboratoire LI2C de l'Université de Paris 6 (Professeur Pierre Turq)a effectué une partie de sa thèse sur ce sujet à l'U.N.C.Thèse soutenue.

Outre l'étude des matériaux nickélifères actuellement en cours, l'acquisition d'un dispositif haute température et d'un M.E.B. (dans le cadre du CNRT Nickel) nous permettraient de mener à bien notre projet initial sur les propriétés thermodynamiques des nanoparticules de nickel métallique