Experimental investigation of the phase diagram of ammonia monohydrate at high pressure and temperature

par Haiwa Zhang

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Frédéric Datchi.

Soutenue le 29-11-2019

à Sorbonne université , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Paul Itie.

Le jury était composé de Sandra Ninet, Frédéric Decremps.

Les rapporteurs étaient Agnès Dewaele, Volodymyr Svitlyk.

mots clés

• Système eau-ammoniac
• Conditions extrêmes
• Diagramme de phase
• Ionisation
• Planètes géantes
• Solide plastique
• Ammoniac
• Hydrates
• Spectroscopie Raman
• Diagrammes de phases

Titre traduit

Etude expérimentale du diagramme de phase du monohydrate d'ammoniac à haute pression et température

Résumé

Cette thèse de physique expérimentale explore le diagramme de phase du monohydrate d'ammoniac (AMH) à haute pression (0<P<70 GPa) et haute température (300<T<800 K). L' AMH est un composé solide composé de parts égales d'eau (H2O) et d'ammoniac (NH3). Son étude sous conditions P-T extrêmes est d'un grand intérêt pour la compréhension et la modélisation des intérieurs planétaires des planètes géantes et des satellites glacés, ainsi que pour la compréhension des effets des hautes densités sur la liaison hydrogène. Dans ce travail, nous utilisons principalement la diffraction des rayons X et la spectroscopie Raman pour étudier les phases solides stables en fonction de P et T. Nous mettons en evidence une ionisation partielle du composé dès 7.4 GPa à 300 K et l'existence de deux nouvelles phases, AMH-VII et AMH-VIII, stables à haute T. Les lignes de transitions de phases solide-solide et solide-liquide sont obtenues. La nature plastique de la phase VII est démontrée par diffusion quasi-élastique des neutrons. La nature superionique du solide à haute P-T est suggérée par l'évolution du spectre infrarouge.

mots clés

• Water-ammonia system
• Extreme condition
• Phase diagram
• Ionization
• Giant planets
• Plastic solid

Résumé

This thesis in experimental physics investigates the phase diagram of ammonia monohydrate (AMH) at high pressure (0<P<70 GPa) and temperature (300<T<800 K). AMH is a solid compound formed of equal amounts of water (H2O) and ammonia (NH3). Its study under extreme P-T conditions is of great interest for the understanding and modeling of planetary interiors of giant icy planets and satellites, as well as for the understanding of density effects on hydrogen bonds. In this work, we mainly use x-ray diffraction and Raman spectroscopy to study the stable solid phases as a function of pressure and temperature. We evidence a partial ionization of the compound above 7.4 GPa at 300 K, and the existence of two new phases, AMH-VII and VIII, stable at high T. The solid-solid and solid-liquid transition lines are disclosed. The plastic nature of phase VII is demonstrated by quasi-elastic neutron scattering. The superionic nature of the solid at high P-T is suggested by the measured evolution of the infrared spectra.