Dans l’espace, les microstructures se solidifient de façon oscillante

Impossible de mener cette expérience sur le sol terrestre. Dans le cas d’alliages, les différences de masse entre les constituants génère de la convection de masse. Cela modifie la concentration dans le soluté, l’interface solide-liquide se courbe, faisant dériver les cellules du bord vers le centre et les empêchant d’avoir leur dynamique propre. 

Il aura donc fallu la mise en place d’un instrument spécifique, DECLIC (dispositif d’Etude de la Croissance et des LIquides Critiques), pour pouvoir espérer observer cette solidification avec sa dynamique non parasitée par la gravité. Parmi les différents modules existants, le module DSI (Directional Solidification Insert) est dédié à l’observation des microstructures qui se forment à l’interface liquide-solide lors de la solidification d’un matériau transparent. Un dispositif permettant le suivi en temps réel et in situ du phénomène. C’est ainsi que des physiciens de l’Institut matériaux microélectronique et nanosciences de Provence (CNRS/AMU/ Université du Sud Toulon – Var) ont pu analyser les modes de croissance de ces microstructures.

Ils ont étudié du succinonitrile, une molécule organique à laquelle ils ont ajouté du camphre. Travailler sur cet alliage transparent présente plusieurs avantages : possibilité d’observation directe optique, une température de fusion basse facile à atteindre, un comportement semblable aux alliage métallique ce qui en fait un alliage modèle.

Publiés dans Physical Review Letters, leurs travaux montrent une structure cellulaire possédant une dynamique oscillante, les cellules se dilatent puis se rétractent de façon périodique ! Du fait du désordre intrinsèque au réseau, cette solidification oscillante est aléatoire d’une cellule à l’autre. Globalement, si l’on considère la totalité du front, les oscillations sont désordonnées. Mais localement, il arrive que plusieurs cellules s’ordonnent entre elles pour former un réseau régulier. Dès lors, bien que chaque réseau soit indépendant et respire sans arrêt, leurs oscillations s’organisent entre elles. C’est ce que les chercheurs ont pu observer sur un réseau hexagonal où trois sous-réseaux oscillent avec un déphasage de 120°. « Prenons l’exemple d ‘un hexagone. Un sommet sur deux est à son maximum, un sommet sur deux à son minimum, et la cellule au centre est entre les deux » explique Jean-Marc Debierre, en charge des calculs sur ce projet. « Nous avions prédit l’existence de ces oscillations depuis longtemps et ce déphasage de 2π/3, mais sans savoir si nous pourrions les observer un jour. Nous avons eu un coup de chance. » se réjouit Jean-Marc Debierre, professeur à l’université d’Aix-Marseille.

Découvrez cette dynamique oscillante :

Le projet DECLIC-DSI a été installé dans la Station Spatiale Internationale dans le but d’éliminer les perturbations liées à la convection puis téléopéré depuis le centre des opérations en vol CADMOS à Toulouse. Le projet DECLIC-DSI est issu d’une collaboration entre des chercheurs de l’IM2NP (UMR CNRS 7334, Université d’Aix-Marseille), de Northeastern University (Boston) et de Iowa State University (Ames). Il est soutenu par la région PACA.

Simulation numérique (en accéléré) où se produit une mise en ordre hexagonal du réseau cellulaire et une oscillation de type 2pi/3

Par Audrey Loubens, journaliste scientifique