Au cours des deux dernières années, les études sur les systèmes desordonnés se sont développées essentiellement suivant quatre directions, dont les trois premières concernent les systèmes qui présentent un désordre topologique tandis que la quatrième est consacrée à des matériaux ne présentant qu'un désordre chimique.
Nous
allons illustrer, par un certain nombres d'exemples précis, ces directions:
1-les semiconducteurs liquides et amorphes
2-les amorphes et liquides métalliques
3-les liquides moléculaires
4-l'ordre chimique dans les cristaux.
1-Semiconducteurs liquides et amorphes
Les premières études de systèmes désordonnés liquides ou amorphes portaient essentiellement sur la structure atomique de métaux ou de gaz rares à l'état liquide. Des modèles de type sphères dures, utilisant des méthodes de Monte-Carlo ou de dynamique moléculaire, conduisaient à des simulations raisonnables des facteurs de structure, montrant que dans de tels systèmes les contraintes géométriques, plus que le détail des potentiels d'interaction, étaient à l'origine de l'ordre local. Au contraire, dès les premières études structurales de liquides et amorphes de type covalent, la géometrie s'est avérée impuissante à décrire l'ordre local. Ce n'est qu'au cours des quelques dernières années que des modèles introduisant des liaisons p directives ont pu rendre compte des structures covalentes désordonnées de façon plus satisfaisante.
Un exemple typique des sujets traités dans le cadre de l'étude structurale de ces liquides covalents concerne la détermination de l'ordre local de semiconducteurs II-VI, entreprise après la mise en évidence d'une distorsion de Peierls dans l'arsenic liquide, puis l'observation de comportements différents, en fonction du métal, dans des composés III-V. L'étude des propriétés électroniques de ces composés, objet d'une étroite collaboration avec J-P.Gaspard, professeur à l'Université de Liège, a permis l'élaboration de règles prédictives de nombreuses structures en couches. Des phases haute pression ont pu être élaborées dans le cadre d'une collaboration avec l'Institut de Physique des Hautes Pressions à Troitsk, en Russie. L'ordre local d'un de ces liquides a pu être décrit à partir d'une phase haute pression. Nous verrons que les alliages II-VI présentent également le type de comportement des III-V, (i.e. conservation des propriétés semiconductrices pour les composés de métaux les plus légers, tandis que les composés de métaux lourds conduisent à une transition semiconducteur-métal à haute pression).
Un exemple tout à fait différent de sujet traité dans ce thème concerne l'étude de verres de silice de type a-SiCN, menée en collaboration avec J.Dixmier et le laboratoire des céramiques de l'Université de Limoges. Ce type de matériau présente de remarquables propriétés réfractaires et une dureté elevée qui pourraient en permettre l'emploi pour des revêtements de boucliers thermiques d'engins spatiaux.
En dépit de la complexité du matériau qu'on a choisi d'étudier pour lui-même, plutôt qu'un système modèle de laboratoire, il semble que l'on ait pu déterminer un ordre à moyenne distance résultant d'une interaction entre deux sous-réseaux. Ce seraient donc des propriétés de connectivité qui pourraient expliquer les qualités thermiques et mécaniques de ces verres.
2-Les amorphes et liquides métalliques
Les études récentes concernant l'ordre local des systèmes métalliques ne sont plus centrées sur l'ordre local en lui même, mais sur des propriétés particulières de ces composés. En effet, les systèmes métalliques possèdent en général un ordre local compact caractérisé par des liaisons non-directives et un nombre de coordination élevé (de l'ordre de dix, et donc comparable à celui des structures cristallines les plus compactes), et ne présentent généralement pas de variations importantes de cet ordre local en fonction de la température ou de la pression. La mise en évidence de changements de structure dans de tels systèmes est donc très délicate et ne peut être entreprise que si l'on dispose à la fois de moyens précis de simulation et d'expériences complémentaires mettant en évidence des variations importantes de paramètres physiques u composé étudié. Comme exemple de ce type d'étude nous présentons ici une détermination de l'ordre local du composé liquide MnSb, ètudiè en collaboration avec le professeur J.G.Gasser de l'université de Metz. Ce système métallique présente en effet, en fonction de sa composition, un maximum de résistivité et un minimum du coefficient de température qui peuvent être reliés aux variations de l'ordre local en utilisant le formalisme de Faber-Ziman. La résistivité est évaluée comme une fonction d'un pseudopotentiel et des facteurs de structure partiels de l'alliage liquide. Des simulations des facteurs de structure partiels menées en parallèle dans le formalisme de l'approximation de la phase aléatoire permettent de quantifier les variations de l'ordre local en fonction de la composition.
3- Liquides moléculaires
Ce thème, objet de très nombreuses études depuis les années 80, fait actuellement l'objet d'un développement spectaculaire, centré d'une part, sur les études sous pression (liquides à liaison hydrogène, liquides aromatiques), d'autre part, sur les études de l'eau au voisinage d'interfaces modèles (hydrophiles et hydrophobes). Les études combinent, chaque fois que cela est possible, les informations issues d'expériences de neutrons et de rayons X. Les résultats sont comparés avec des simulations numériques.
La structure de liquides moléculaires, à l'approche de la transition vitreuse, a été étudiée, en fonction de la pression, et comparée avec des simulations numériques de type Monte Carlo, ce qui a donné lieu à la thèse que D. Morineau (C. P. A. M., Orsay) a soutenue le 28 mars 1997. L'étude structurale du formamide liquide est un exemple d'étude de liquides sous pression combinant les expériences de neutrons et de rayons X (Thèse, en collaboration, de S. Nasr, Université de Monastir, Tunisie). Les études structurales de l'eau sous pression sont poursuivies, à haute température et dans le domaine supercritique, en relation avec le problème de retraitement des déchets nucléaires, dans le cadre du Club des Fluides Supercritiques du CEA (Responsable : D. Beysens). Les résultats sont comparés avec des simulations numériques par dynamique moléculaire, réalisées en collaboration avec le laboratoire de Physique Théorique des Liquides de l'Universitè de Paris 7.
On commence à avoir maintenant une image détaillée et réaliste de la structure et de la dynamique de l'eau interfaciale, grâce aux études de l'eau au voisinage de surfaces modèles hydrophiles (le Vycor) et hydrophobes (la poudre de carbone amorphe). Ces études ont été faites, respectivement, dans le cadre de la thèse de J.-M. Zanotti, soutenue le 27 janvier 1997, et de R. Sridi-Dorbez (Thèse, en collaboration, en cours, Université de Monastir, Tunisie). Ces études sont très importantes pour la connaissance de l'eau d'hydratation des macromolécules biologiques. Elles ont conduit à la conclusion que les propriétés structurales et dynamiques de l'eau interfaciale, étaient celles de l'eau volumique, mais à une température équivalente Teq (environ 30 inférieure).
Par exemple, l'eau interfaciale, à température ambiante se comporte comme de l'eau surfondue, à . Le modèle de percolation a permis de rendre compte de la valeur numérique de la température équivalente. De plus, récemment, des progrès considérables ont été réalisés dans la connaissance de la dynamique de l'eau interfaciale, à l'aide de la théorie de la transition vitreuse cinétique des liquides surfondus.
4-Problèmes liés à l'ordre chimique dans les cristaux
En parallèle avec ces études de l'ordre à courte distance dans les systèmes liquides ou amorphes, se sont également developpées des études de l'ordre chimique dans des systèmes cristallins. Ce thème est développé au LLB par l'èquipe de l'ONERA (R.Caudron et al) et fait l'objet d'une thèse en cours (D.Le Bolloc'h).
Un premier travail a été consacré au système Pt-V. Des mesures de diffusion diffuse de neutrons ont été effectuées à différentes concentrations et, malgré des modifications spectaculaires de la distribution de l'intensité diffuse, les potentiels d'interaction interatomique qui en ont été extraits varient peu en fonction de la concentration. Cette circonstance a permis de bâtir un diagramme de phases (cohérent sur un réseau c.f.c.) qui, outre les phases répertoriées, présente des composés ordonnés inconnus à ce jour.
D'autre part, de nouvelles méthodes d'extraction des potentiels d'interaction à partir de la diffusion diffuse ont été développées.
Le thème des systèmes désordonnés liquides
et amorphes verra se développer, au cours des prochaines années, un bon nombre d'orientations nouvelles.
Les études sur les amorphes métalliques seront plutôt orientées vers les domaine suivants:
-transitions; de l'ordre au désordre magnétique dans les alliages de terres rares ou de métaux de transition, liquides ou amorphes
-relations entre résistivité et ordre local dans les métaux liquides
-relaxation et recristallisation
-passage de systèmes parfaitement amorphes à des nanostructures...
Dans le cas des semiconducteurs, les études structurales ont montré une richesse de comportements qui va nous conduire tout naturellement à l'investigation détaillée de systèmes modèles d'alliages semiconducteur-métal. Des collaborations sont prévues avec des groupes de l'ESRF afin d'exploiter au mieux la complementarité entre la diffusion des neutrons et le rayonnement synchrotron. En ce qui concerne la modélisation de l'ordre local, on peut prévoir une collaboration plus approfondie encore avec les théoriciens, compte tenu de la fiabilité de plus en plus grande de méthodes de simulation ab initio dont la précision se rapproche de celle des meilleures expériences actuelles de diffusion de neutrons.
En ce qui concerne les liquides moléculaires, on peut prévoir que les études sur l'eau vont connaitre une croissance importante compte tenu de la nécessité de posséder la connaissance la plus approfondie du plus important des milieux biologiques.
Enfin, dans le cas des études par diffusion diffuse de l'ordre chimique dans les systèmes cristallins, c'est le développement simultané de la théorie et des méthodes d'analyse des données qui devrait conduire à la résolution de problèmes non abordables jusqu'à présent (cinétique de nucléation d'une phase ordonnée à partir d'une solution solide).