Surface reactivity of soft minerals at the atomic scale

par Bahareh Zareeipolgardani

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean Colombani.

Soutenue le 14-02-2019

à Lyon , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Université Claude Bernard (Lyon) (établissement opérateur d'inscription) et de Institut Lumière Matière (laboratoire) .

Le président du jury était Pierre Müller.

Le jury était composé de Jean Colombani, Catherine Barentin, Dag Kristian Dysthe, Rémi Lespiat, Olivier Pierre-Louis.

Les rapporteurs étaient Sergey Churakov, Pierpaolo Zuddas.

  • Titre traduit

    Réactivité de surface des minéraux mous à l'échelle atomique


  • Résumé

    Il est indispensable pour comprendre la diagenèse, i.e., la formation des roches sédimentaires, le durcissement des matériaux de construction hydrauliques comme le ciment ou le plâtre, ou la biominéralisation, d'identifier les mécanismes élémentaires de la cristallisation minérale. Le taux de réaction macroscopique des minéraux est généralement déduit de mesures de chimie des solutions. A côté de ces mesures macroscopiques, l'étude de la réactivité des minéraux inclut maintenant l'analyse des mécanismes atomiques a l'origine des réactions chimiques. Cela a été rendu possible depuis deux décennies par l'apparition d'outils capables d'observer des surfaces avec une résolution nanométrique, tels que la microscopie à force atomique et l'interférométrie à balayage vertical. Le gypse et la calcite font partie des minéraux dits mous. Ce sont des minéraux extrêmement répandus, que l'on peut trouver autant dans la nature sous forme de roches sédimentaires que dans le monde industriel. Le gypse (CaSO4,2H2O) est une évaporite dont les applications incluent la fabrication des plaques de plâtre, l'ajout au ciment Portland comme retardateur, l'élaboration du plâtre de Paris et l'amendement des sols. La sélénite ou l'albâtre sont des variétés de gypse utilisés comme matériaux pour l'ornement, mais leur faible dureté limite leur durabilité. La calcite, forme la plus stable de CaCO3, est un des principaux biominéraux, et un des constituants majeurs des roches des réservoirs carbonates, stockant naturellement de l'eau, du pétrole ou du gaz naturel. Quand les organismes biologiques font croitre leur coquille, ils contrôlent la morphologie, la taille, l'orientation et même la phase des cristaux de carbonates de calcium qui la constituent. Cela conduit à des biomatériaux présentant des propriétés physiques et chimiques qui diffèrent significativement de ceux de la calcite inorganique. Une connaissance plus approfondie des mécanismes sous-jacents à la réactivité de surface de la calcite et de l'effet des impuretés sur celle-ci permettra de nous rapprocher de la possibilité de synthétiser des minéraux biomimétiques, aux propriétés comparables à celles de la calcite biogénique. Dans ce contexte, ma thèse s'est développée dans trois directions. Dans la première, j'ai étudié l'influence d'une contrainte mécanique sur les mécanismes de dissolution. Mon objectif dans cette partie a été de tacher de déduire le taux de dissolution macroscopique à partir de la cinétique des mécanismes atomiques. La seconde partie de la thèse, la plus conséquente, a consisté à étudier l'influence d'une contrainte mécanique sur la croissance de la calcite, et à sonder le rôle d'un additif organique lors de cette croissance sous contrainte. Dans la troisième partie, je me suis penchée sur la dissolution de cristaux de calcite à l'aide de mesures topographiques quantitatives sur des aires relativement étendues de la surface des cristaux, dans une large gamme de pH. J'ai en particulier étudié l'influence d'un additif organique sur la dissolution et la cinétique de réaction à grande échelle. Les taux de dissolution macroscopique et microscopique, c'est-à-dire déduits de la dynamique d'évènements moléculaires (croissance de piqure d'attaque, migration de marche atomique), ne sont presque jamais en accord, même qualitativement, et l'élaboration d'une théorie générale liant la cinétique du phénomène aux deux échelles est encore en cours. Je présente ici des taux de dissolution microscopique du gypse, mesures par microscopie par force atomique (AFM), en accord quantitatif avec les taux de dissolution macroscopiques. Cet accord inédit a été obtenu en prenant soin de neutraliser le biais induit par le fait que la pointe AFM applique une force sur la surface qu'elle sonde, et en identifiant avec soin les mécanismes moléculaires majeurs à l'œuvre lors de la dissolution...[etc]


  • Résumé

    Identifying reaction mechanisms of minerals is fundamental to understand diagenesis, i.e, sedimentary rock formation, construction material, like cement or gypsum, hardening, and biomineralization. The macroscopic reaction rates of minerals are generally deduced from solution chemistry measurements. Beside the measurement of macroscopic reaction rates, the study of the reactivity of minerals includes now the investigation of the atomic mechanisms involved in the reactions. This has been made possible for two decades by the use of tools resolving nanometric objects, such as vertical scanning interferometry (VSI) and atomic force microscopy (AFM). Gypsum and calcite are among soft minerals. They are extremely widespread mineral that can be found naturally in sedimentary rocks. They are also used in many industrial fields. Gypsum (CaSO4,2H2O) is an evaporate mineral. Gypsum uses include: manufacture of wallboards, plaster of Paris, soil conditioning, and hardening retarder in Portland cement. Varieties of gypsum known as "satin spar" and "alabaster" are used for a variety of ornamental purposes; however, their low hardness limits their durability. Calcite, the most stable crystalline form of CaCO3, is moreover important as a bio-mineral and a major constituent of host rock in carbonate reservoirs, which host drinking water and natural oil and gas. When biological organisms grow their shells, they control the crystal morphology, size, orientation and even the crystal phase of precipitated calcium carbonate. This results in materials with physical and chemical properties that differ significantly from those of inorganically precipitated calcite. Gaining more insight into the surface reactivity of calcite and the effect of surface impurities will bring us one step closer to being able to synthesize biomimetic material, which mimic the properties of biogenic calcite. In this thesis, I had three main focus points. In the first part I studied the effect of stress on the dissolution mechanisms. I investigated to deduce the dissolution rate from the atomic kinetics. The second and the most extensive was the study of the influence of stress on the calcite growth and probing the role of an organic additive on the dynamics of calcite growth while applying stress. In the third part I emphasised on quantitative topographic measurements of dissolving calcite crystal over a relatively large and fixed view at vast range of pH. I considered the influence of an organic additive on the dissolution and surface reaction kinetics at this larger scale. Both macroscopic and microscopic dissolution rates can also be deduced from the dynamics of molecular events (etch pit growth, atomic step migration), but they hardly ever agree, even qualitatively, and the elaboration of a general theory linking the kinetics at the two scales is still in progress. I presented here microscopic dissolution rates of gypsum, measured by atomic force microscopy (AFM), in quantitative agreement with macroscopic rates. This agreement has been obtained in taking care to neutralize the bias induced by the force applied by the AFM tip on the surface, and to identify clearly the driving molecular mechanism. The force applied by the AFM tip on the surface has been seen to increase the solubility of the mineral, thereby introducing a bias, so I have always worked with a constant and low applied force. This result shows that the determination, among the topographic changes during the dissolution of a mineral, of the dominant one, and the measurement of its dynamics, may permit deducing from AFM experiments a reliable macroscopic dissolution rate. The transformation of loose grains into a cohesive solid requires the crystallites to grow eventually constrained by the surrounding grains. Whereas never measured, this confinement and the associated stress is expected to influence noticeably the growth, and the final properties of the material… [etc]


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