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Grandes lentilles pour tout-petits défauts

Comment cibler hydratation et maclage dans les silicates

L’évolution dynamique de notre planète est liée aux propriétés physiques des matériaux cristallins qui la composent. De tout-petits défauts à l’échelle atomique peuvent altérer ces matériaux et plusieurs travaux de recherche ont montré qu’en fonction de la quantité, du type et de l’étendue de ces défauts, des changements dans les propriétés de transport du réseau atomique des minéraux peuvent se produire. La quantité d’hydrogène incorporée dans la structure minérale et sa distribution dans les minéraux dits "nominalement anhydres" (NAMs) fait partie de ses impuretés qui entraînent d’importantes conséquences dans les propriétés des minéraux.


On distingue les défauts à 0 dimension (0D) comme les lacunes atomiques, les atomes interstitiels et/ou les impuretés qui se sont substituées aux atomes d’origine. Ce sont ces défauts qui ont été le plus étudiés.
 On trouve aussi des défauts à une dimension (1D) comme les dislocations qui sont impliquées dans la déformation plastique des minéraux du manteau supérieur, les défauts à 2 dimensions (2D) comme les lamelles monoatomiques ou les joints de grain. Il existe également des défauts en 3 dimensions (3D) comme des couches planes de phases hydriques ou des inclusions de lamelles de plusieurs atomes d’épaisseur qui eux ont été très peu étudiés par les minéralogistes. Des progrès récents dans la microscopie à haute résolution ont montré l’importance de ces défauts 3D et l’existence de précurseurs lors du développement de maclage recristallisation (Daneu et al., 2014).

Example of a twinned mineral (rutile) Macroscopic view and interpretation of the twin growth mechanism highlighting the role of a hydrous precursor phase in the formation of the main twin boundary (from Daneu et al., 2014)

Le développement récent de microscopes électroniques à haute résolution avec corrections des aberrations permet aujourd’hui de résoudre certains problèmes d’imagerie et donc de mieux comprendre les processus qui entraînent le maclage dans les minéraux.

Experimental HAADF/STEM (high-angle annular dark-field scanning transmission electron microscopy) image of one investigated olivine along the [100] direction.

José Alberto Padrón-Navarta, David Mainprice et Fabrice Barou, chercheurs à Géosciences Montpellier, sont impliqués dans un projet bilatéral avec le Department of Nanostructured Materials de l’Institut Jožef Stefan en Slovénie. Ils vont collaborer avec Nina Daneu and Aleksander Rečnik dans le cadre du "Partenariat-Hubert-Curien" PROTEUS (2017-2018).

L’objectif de ce projet vise à étudier le processus de maclage dans les silicates (olivine et humite). L’approche novatrice de cette étude provient de la combinaison entre l’analyse texturale, l’analyse de lames minces (EBSD et nouveaux scripts MTEX) et les techniques de pointe en sciences des matériaux. En particulier, les chercheurs étudient des macles dans les silicates en utilisant des méthodes de microscopie électronique à haute résolution (HRTEM) et de microscopie électronique à transmission à balayage (STEM) mais également de l’imagerie en champ sombre annulaire à grand angle et de l’imagerie de contraste en Z obtenues avec un détecteur annulaire en champ clair HAADF et ABF.

Ces techniques permettent de voir directement en image la composition chimique résolue à l’échelle atomique de la macle et ainsi étudiée avec un meilleur contraste la position des atomes. Dans ce domaine, le groupe de recherche slovène a développé une nouvelle méthode pour quantifier les images de contraste Z à l’échelle atomique en utilisant l’algorithme IMAGE-WARP pour la correction des distorsions STEM (Rečnik et al., 2005).

Left : Experimental HAADF-STEM image with overlaid structural model of one olivine along [011] investigated in this PHC project. Right : Z-contrast simulation of this model.

Références
- Daneu, N., Rečnik, A., Mader, W., 2014. Atomic structure and formation mechanism of (101) rutile twins from Diamantina (Brazil). Am. Mineral. 99, 612-624.
- Rečnik, A., Möbus, G., Šturm, S., 2005. IMAGE-WARP : A real-space restoration method for high-resolution STEM images using quantitative HRTEM analysis. Ultramicroscopy 103, 285-301.