Cristallochimie des matériaux naturels
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Une part importante des propriétés d’un sol, par exemple d’absorption des polluants, est liée à sa fraction minérale fine inférieure à 2 µm, appelée fraction argileuse. Pour comprendre les comportements de ces minéraux argileux dans l’environnement, il est nécessaire de connaître leur structure fine à l’échelle atomique. Pour cela nous utilisons la diffraction des rayons X sur poudre et les nouvelles techniques de MET pour explorer entre autres la variabilité de la structure cristallochimique à l’échelle nano ou sub-nanométrique des minéraux naturels.
Plusieurs minéraux sont étudiés : la birnessite, l’illite, la smectite, la kaolinite et la palygorskyte.
Mots-clés : Matériaux lamellaires, microscopie électronique en transmission, cristallographie
Etude cristallochimique des polytypes de la birnessite (XRD, SAED, HRTEM, EELS)
Les oxydes de manganèse, bien que présents en très faible proportion dans les sols, sont ubiquistes dans le milieu naturel et jouent un rôle majeur dans le piégeage des polluants métalliques. Dans le milieu naturel, les oxydes de manganèses sont présents sous une forme très désordonnée. Afin de mieux comprendre leur structure et leur propriétés d’absorbeurs, des travaux sur la cristallochimie des oxydes de manganèse lamellaires naturels, dont la birnessite est l’espèce cristallisée dominante, ont été menés pour comprendre la structure de celle-ci en fonction de l’environnement chimique (lors de la synthèse par exemple) et du degré d’oxydation moyen du manganèse. Un recensement des différents polytypes existants (7) et de la nature des défauts structuraux a été réalisé par diffraction des rayons X (DRX) sur poudre, diffraction électronique en aire sélectionnée (SAED), imagerie électronique à l’échelle atomique (HRTEM) et spectroscopie de perte d’énergie des électrons (EELS).
Méthode d’identification du polytype des illites par SAED
Les aluminosilicates dioctaédriques 2:1 représentent une fraction dominante des minéraux argileux d’un sol et leur présence a un impact important sur les propriétés mécaniques mais aussi pétrolifères de celui-ci. L’illite, aluminosilicate potassique le plus abondant, présente à la fois une variabilité morphologique (lattes ou plaquettes isomorphes) mais également structurales (polytypes 1M trans-vacant ou cis-vacant, ou 2M1 principalement). Si un lien statistique (par diffraction des rayons X sur poudre, ou analyses thermiques) en fonction de la profondeur d’enfouissement a été rapporté, aucun lien à l’échelle de la particule n’a pu être démontré. La microscopie électronique en transmission (MET) offre une opportunité unique de déterminer pour une particule donnée sa morphologie, sa chimie et sa structure cristallographique. Une méthode de d’analyse par diffraction électronique en aire sélectionnée (SAED) a été développée pour identifier le polytype cristallographique de particules individuelles d’illites. Si l’axe de zone [001] est le plus caractéristique pour une telle identification, une méthode basée sur l’observation de clichés de diffraction selon plusieurs axes de zones a été proposée.
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| Figure 1 : Cliché de diffraction électronique en sélection d'aire de monocristaux d'illite orienté selon l'axe de zone [001] : a) polytype tv-1M ; b) polytype cv-1M ; c) polytype tv-2M1 |
Références
Collaboration
ISTERRE Grenoble France, Moscow Russia, Univ. Crete Grèce
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