Spirales dans le cas de fer ?

En ce qui concerne l'absence de spirale dans le cas des arborescences magnétiques de fer, deux questions principales se posent: est ce que le fer peut faire des spirales et quelle est l'origine de sa rigidité.

En ce qui concerne la rigidité plusieurs explications possibles sont envisageables. Une première explication serait donnée par les propriétés morphologiques (par propriétés morphologiques on entend dans ce cas le nombre de branches et leur structure interne de branches). Le fait que le zinc et le cuivre fassent des spirales quelque soit leur morphologie en absence du champ, nous fait penser que la morphologie ne peut pas expliquer seule l'absence de spirale dans le cas du fer.

Un autre facteur est la rigidité différente des matériaux, rigidité caractérisée par le module de rigidité mécanique ("rigidity modulus" en anglais ): sa valeur est plus petite pour l'argent le zinc et le cuivre que pour le fer et le cobalt. Ce module de rigidité n'est qu'indicatif car la structure des branches a certainement un rôle plus important dans la rigidité que les propriétés cristallines du matériau

Enfin la troisième explication, très probable vu les effets du champ sur l'agrégat, serait le caractère magnétique des arborescences.

Expériences en cellule ouverte

Afin de voir si des spirales peuvent être induites dans le cas du fer nous avons réalisé une série d'expériences de croissance en cellule ouverte car pour ce type de cellule on peut obtenir de très grandes vitesses de rotation si on augmente la tension et l'épaisseur de la cellule. Les croissances ont été réalisées à partir de solutions 0.06 M et 0.3 M en appliquant des tensions jusqu'à 60 V et pour un champ appliqué de 0.23 T. Dans ces conditions la rotation de la solution induit des spirales pour les deux concentrations.

La spirale se manifeste par le pliage des branches situées dans le front de croissance et quand on regarde l'évolution de l'agrégat on a l'impression qu'il tourne. La spirale est de moins en moins prononcée au fur et à mesure que le rayon croît et, à partir d'un rayon donné, elle est complètement inhibée. Le rayon à partir duquel la spirale est inhibée est situé entre 2 mm et 3 mm pour quelques croissances présentant une morphologie DBM (concentration 0.06 M, tension 60V et concentration 0.3 M, tension 30 V). La vitesse tangentielle mesurée pour un rayon d'environ 2.5 mm varie entre 40 et 70 mm/s, en fonction de l'épaisseur de la cellule. Ces vitesses sont environ 190 et 330 fois plus grandes que les vitesses conduisant au fortes spirales pour le zinc (Fig. III.2, épaisseur 200 µm). Cette inhibition de la spirale lorsque le rayon croît est en bon accord avec la diminution de la force qui s'exerce sur l'agrégat en fonction du rayon (Fig. III.14). Il faut préciser que le mouvement de rotation de la solution est tellement fort que toutes les croissances denses finissent par être arrachées de la cathode.

Si l'épaisseur de la solution est plus petite on peut obtenir des arborescences moins denses et dans ce cas l'agrégat est spiral jusqu'à un rayon de 5 mm (Fig. IV.9).

Fig.IV.9 Spirale obtenue en cellule ouverte dans le cas de fer; concentration 0.3 M, tension 30 V, épaisseur de la cellule environ 600 µm (estimée à partir du courant initial).

Un aspect intéressant est que parfois on voit des petites branches cassées, qui tournent dans la solution pour un moment, puis se fixent sur l'agrégat ou dans sa proximité. Cela suggère que les interactions magnétiques entre les branches et l'agrégat sont suffisamment fortes pour arrêter une branche en mouvement.

On a donc vu qu'on peut obtenir des spirales dans le cas du fer si la vitesse de rotation de la solution est très grande, beaucoup plus grande que les vitesses nécessaires dans le cas des arborescences de zinc. On a vu également qu'un champ magnétique a un effet direct sur les arborescences et que, dans des conditions similaires, les métaux magnétiques (fer et cobalt) ne font pas de spirales tandis que les métaux non magnétiques (zinc, cuivre, argent) en font. Tous ces faits nous font privilégier l'hypothèse que le fait d'être magnétique rend l'agrégat plus résistant en présence d'un champ magnétique. Pour découpler les effets de la rotation de la solution des effets du champ magnétique proprement dit nous avons réalisé des croissances en faisant tourner mécaniquement la solution.

Expériences de rotation mécanique

Dans le but de trancher si le magnétisme ou les propriétés mécaniques des arborescences de fer sont responsables de l'inhibition de la spirale, nous avons fait des croissances en tournant mécaniquement la solution En l'absence de champ magnétique, on n'attend pas que le magnétisme de l'agrégat ait un rôle dans la résistance mécanique et seules les propriétés mécaniques seraient responsables de la résistance de l'agrégat. Les expériences ont été faites dans le dispositif présenté dans le paragraphe (II.1.4), soit en faisant tourner la cathode avec l'arbre dans une solution fixe soit en faisant tourner la plaque avec la solution, en maintenant la cathode avec l'arbre fixe.

Les résultats obtenus jusqu'à présent ne sont malheureusement pas concluants en ce qui concerne les effets d'un champ magnétique et cela à cause des bulles d'hydrogène. Le problème est dû au fait que l'arbre tourne par rapport à la plaque situé en dessous. Des bulles d'hydrogène sont produites pendant la croissance qui se collent en général sur la plaque et ont des effets mécaniques beaucoup plus importants que la solution elle même. L'arbre peut être rendu spiral par quelques bulles et de très jolies spirales ont été obtenues de cette façon. Des expériences que nous n'avons pas eu le temps de faire sont nécessaires pour pouvoir mettre directement en évidence les effets magnétiques. Une de ces expériences consiste à faire tourner la solution mais sans tourner les plaques par rapport à l'arbre.

Même si les expériences de rotation mécanique ne nous ont pas permis de trancher entre l'origine magnétique ou morphologique de la rigidité des arborescences de fer, des informations supplémentaires ont été obtenues. Une expérience a consisté à réaliser une croissance de fer sans tourner la solution, arrêter la croissance et ensuite faire tourner la solution. L'agrégat a été cassé tout de suite à la cathode. Nous avons fait la même expérience pour une croissance dendritique de zinc. Dans ce cas, sous l'effet de la rotation de la solution, les dendrites se sont enroulées autour de la cathode sans se rompre. Ces expériences, combinées avec d'autres observations, indiquent que les arborescences de fer sont plutôt rigides et les arborescences de zinc sont plutôt

malléables indépendamment du champ magnétique. On peut conclure que probablement les deux aspects structure et morphologie d'une part, magnétisme d'autre part sont responsables de la rigidité des arborescences de fer.