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Distribution du fer et de lÕaluminium dans le rŽseau silicatŽ :

Nous avons vu au paragraphe 4.4 que le fer, et en particulier le fer en coordinence 5, avait tendance ˆ la sŽgrŽgation dans le verre NFS-nat. Mais est-ce toujours le cas si la concentration en fer diminue ? Et lÕaluminium a-t-il lui aussi tendance ˆ sŽgrŽger dans le verre NAS ? Et quel degrŽ dÕordre existe-t-il pour le mŽlange Fe-Al ?

Nous allons tout dÕabord comparer les deux p™les purs NFS-nat et NAS de composition identique et qui contiennent 10 at% de Fe et de Al respectivement.

Pour Žvaluer la tendance de Al ˆ la sŽgrŽgation dans le verre NAS, il faut comparer le rapport expŽrimental CNAl"Al

CNAl"AlpCNAl "Si # $ % & '

( ˆ 1/3, qui est la valeur que prendrait ce rapport dans le cas dÕune distribution alŽatoire des cations Al3+. Les rayons de coupure utilisŽs sont 3,84  pour les corrŽlations Al-Al et 3,60  pour Si-Si. On trouve que

CNAl" Al CNAl" Al+ CNAl" Si

= 0,35 # 1/ 3. Les liaisons Al-O-Al observŽes ne sont donc pas dues ˆ une sŽgrŽgation des cations Al3+, mais correspondent au cas dÕune rŽpartition alŽatoire de lÕaluminium.

Nous avons montrŽ au paragraphe 4.2.3.2 que le fer nÕest pas rŽparti de faon alŽatoire dans la matrice pour le verre NFS-nat, qui contient 10 at% de Fe alors que lÕaluminium est rŽparti alŽatoirement pour le verre NAS qui contient 10 at% de Al. Pour la mme concentration, le fer et lÕaluminium nÕont donc pas le mme comportement vis-ˆ-vis de leur rŽpartition au sein du rŽseau silicatŽ. Le premier a fortement tendance ˆ la sŽgrŽgation alors que le deuxime est distribuŽ de faon alŽatoire au sein de la matrice. Cette tendance est visible sur la figure 5.2.3.2. sur laquelle on voit que le rŽseau de liaisons Fe-O-Fe est plus dense que le rŽseau Al-O-Al.

ƒtude structurale du systme NaFexAl1-xSi2O6

NFS-nat NAS

Figure 5.2.3.2. ReprŽsentation des liaisons Al-O-Al (traits bleus) dans

NAS et Fe-O-Fe dans NFS-nat dans le plan xOz sur une Žpaisseur de 19 (bo”tes de c™tŽ = 38). Les atomes dÕAl, [4]Fe et [5]Fe sont reprŽsentŽs par des sphres vertes, noires et roses respectivement.

De la mme faon, on peut montrer que dans les verres intermŽdiaires NFA 08.08 et NFA 13.03, on retrouve la mme tendance du fer ˆ la sŽgrŽgation alors que lÕaluminium est rŽparti de faon alŽatoire dans la matrice vitreuse indŽpendamment des concentrations en fer et en aluminium.

Nous venons de montrer que la distribution du fer montrait une tendance vers la sŽgrŽgation dans tous les verres ŽtudiŽs. Cependant il ne faut pas oublier quÕon a deux populations de fer : ~60% du fer est en coordinence 4, le reste Žtant en coordinence 5. Dans le verre NFS-nat, nous avons montrŽ quÕen rŽalitŽ seul le fer en coordinence 5 a tendance ˆ sŽgrŽger (voir paragraphe 4.2.3.2) alors que le fer en coordinence 4 est distribuŽ de faon alŽatoire dans le rŽseau. Il en est de mme dans les deux verres intermŽdiaires dans lesquels seul [5]Fe sŽgrŽge.

En outre, les polydres FeOx sÕentourent aussi bien de tŽtradres AlO4 que de tŽtradres

SiO4, sans prŽfŽrence pour lÕune ou lÕautre de ces espces. On nÕa donc pas dՎvitement fer-

aluminium dans les compositions ŽtudiŽes ici.

5.2.3.3 Distribution du sodium

La figure 5.2.3.3.a prŽsente les fonctions de corrŽlation de paires partielles centrŽes sur le sodium. Les premires corrŽlations Na-Na appara”ssent vers 3,40, indiquant lÕexistence de liaisons Na-O-Na. Mais lÕexistence de ces liaisons nÕimplique pas obligatoirement une sŽgrŽgation des ions sodium. En effet, compte tenu de la forte teneur en Na, ces liaisons peuvent tre uniquement dues ˆ une rŽpartition alŽatoire des Na+.

Nous avons montrŽ que la distribution du sodium est alŽatoire pour le verre NFS-nat (voir paragraphe 4.2.3.3). Dans le verre NAS, le rapport CNNa" Na

CNNa

" Na+ CNNa" Si+ CNNa" Al

ˆ 0,26. Ce rapport, dans le cas dÕune rŽpartition alŽatoire serait de 0,25. On peut donc considŽrer que la rŽpartition du sodium est alŽatoire dans le verre NAS. Dans les deux verres intermŽdiaires le sodium est aussi rŽparti de faon alŽatoire.

Figure 5.2.3.3.a Fonctions de corrŽlation de paires partielles Na-X

(X=Si, Na, Fe, Al).

La figure 5.2.3.3.b illustre la rŽpartition des liaisons Na-O-Na. On voit clairement dans tous les verres des zones dans lesquelles les polydres de Na sont adjacents et des zones appauvries en Na dans lesquelles les polydres sodiques ne sont pas adjacents.

Si on fait lÕhypothse que les atomes de sodium jouent un r™le de compensateur de charge auprs des tŽtradres AlO4 et FeO4, alors les liaisons Na-O-Al et Na-O-[4]Fe devraient

tre favorisŽes par rapport aux liaisons Na-O-[5]Fe et Na-O-Si. En rŽalitŽ, les atomes de sodium se trouvent rŽpartis de faon alŽatoire autour des AlO4, FeO4 et FeO5 et Žvitent les

tŽtradres SiO4. De plus, si on compare la rŽpartition de ces trois espces dans les bo”tes de

simulation, on se rend compte que les zones enrichies en Na ne co•ncident pas avec des zones enrichies en Al ou [4]Fe (comparer figures 5.2.3.3.a et 5.2.3.2. pour NFS-nat et NAS) ce qui montre que le sodium ne sert peut-tre pas uniquement ˆ la stabilisation de Fe3+ et de Al3+ en site tŽtraŽdrique dans ces verres.

ƒtude structurale du systme NaFexAl1-xSi2O6

NFS-nat NFA 13.03

NFA 08.08 NAS

Figure 5.2.3.3.b. ReprŽsentation des liaisons Na-O-Na (traits verts)

dans le plan xOz sur une Žpaisseur de 19 (carrŽs de c™tŽ = 38). Les atomes de sodium sont reprŽsentŽs par des sphres jaunes.