Les domaines d’application de la technique de la cellule à enclumes de diamant sont variés, depuis la physique des matériaux sous conditions extrêmes jusqu’à la géophysique en passant par la biologie ! La technique a donc beaucoup évolué pour permettre de comprimer en chauffant ou en refroidissant des matériaux solides ou liquides (magmas, minéraux, molécules organiques, éléments …). Le schéma ci-dessous illustre les différents champs de pression et de température accessible par la cellule à enclumes de diamant.
Que peut-on faire avec une cellule diamant?
Avec une cellule à enclumes de diamant on peut réaliser une grande variété d’expériences. La transparence du diamant sur une large bande de longueur d’onde, de l’infrarouge aux rayons X et gamma permet en effet de suivre in-situ les changements que subissent les matériaux à haute pression et température.
Avec une cellule à enclumes de diamant on peut réaliser une grande variété d’expériences. La transparence du diamant sur une large bande de longueur d’onde, de l’infrarouge aux rayons X et gamma permet en effet de suivre in-situ les changements que subissent les matériaux à haute pression et température.
Il est donc possible de suivre le comportement des roches et minéraux et de préciser entre autre :
- les changements de densité (ou de volume molaire) en fonction de la pression et de la température
- les changements de phases des minéraux
- les variations des propriétés élastiques et de vitesses de propagation des ondes acoustiques en fonction de la pression et de la température
- les phénomènes de fusion à haute pression
Un exemple visuel simple : les changements de phase de l’eau
Si, à la pression atmosphérique, on abaisse la température en dessous de 0°C, l’eau liquide se transforme en glace : la structure tétraédrique présente dans l’eau liquide se fige alors et l’ordre local devient un ordre à grande distance. Cette glace est un solide cristallin et c’est la glace commune que nous connaissons tous.
Mais il existe plein d’autres formes cristallines de glace que l’on obtient en comprimant une goutte d’eau dans une cellule à enclumes de diamant et cela à température ambiante. La Figure 18 montre une séquence de photographies prises au travers des diamants lors de la compression et de la décompression d’une goutte d’eau. Le schéma de la Figure 19 donne en coupe le déroulement de l’expérience. Chacune des photographies est repérée dans le diagramme de phase de H2O en Figure 20. Lors de cette expérience l’eau passe de l’état liquide à une forme solide cristallisée : la glace VI. Après avoir formé au-delà de 9 GPa un polycristal de glace VI, on décomprime la cellule de telle manière à faire coexister un seul cristal de glace VI avec l’eau liquide. En augmentant à nouveau lentement la pression au dessus de 9 GPa, on arrive à faire pousser un cristal unique de glace VI.
Un exemple visuel simple : la fusion de l’olivine à haute pression
Déterminer la température de fusion d’un minéral ou d’une roche est essentiel pour comprendre les phénomènes magmatiques. A pression ambiante l’expérience est relativement aisée ; elle est plus difficile à haute pression. La cellule à enclumes de diamant permet de réaliser des expériences de fusion et cela jusqu’à des pressions de plusieurs dizaines de GPa. La figure ci-dessous (Figure 20) montre la fusion de cristaux d’olivine. Deux cristaux (1 et 2) sont comprimés avec de l’argon comme milieu de transmission de la pression. Le faisceau d’un laser IR de puissance est focalisé sur l’un des échantillons au travers de l’un des diamants. On augmente la puissance du laser jusqu’à induire la fusion (au environ de 2500 K) qui se matérialise dans cette expérience par la formation d’une boule d’olivine fondue. En coupant le laser instantanément la température de l’échantillon redescend à la température ambiante en une fraction de seconde conduisant à une trempe du liquide en verre.
