Préface

L'École Thématique “Structure et Dynamique des Systèmes Désordonnés” [1] s'inscrit dans le cadre des écoles organisées sous l'impulsion de la Société Française de la Neutronique (SFN). Elle s'est deroulée en mai 2002 sur la Presqu'île de Giens (Var) en première partie des 11émes Journées de la Diffusion Neutronique. L'Édition de ces cours constitue ainsi le cinquième ouvrage introduisant les techniques neutroniques et leurs apports à differentes thématiques [2].
Le désordre est un facteur déterminant pour pratiquement toutes les propriétés des matériaux. Il est inhérent dans les matériaux amorphes ou liquides, mais il détermine également les propriétés mécaniques et électroniques d'autres composés d'importance technologique comme les matériaux métalliques, dont l'aspect “désordonné” est moins évident. Le désordre enfin joue un rôle essentiel dans tout ce que touche à la vie. En fait, il est difficile d'imaginer des systèmes, à part quelques exceptions rares comme l'hélium ou le silicium de haute pureté, où il n'y ait pas de désordre. En dehors de cet aspect pratique, la description scientifique du désordre atomique pose toujours des problèmes fondamentaux faute de concepts pertinents.
Une des tâches importantes du scientifique ou de l'ingenieur est de préciser quel genre de désordre existe à une échelle d'espace et de temps donnée. Un materiau peut très bien être homogène à l'échelle atomique et présenter des défauts ou des hétrogéneité visibles à l'œil et inversement. De même, un système désordonné à un instant donné, peut apparaître ordonné si on moyenne dans le temps.
Les techniques de diffusion des neutrons sont idéales pour aborder ces questions. Les neutrons sondent directement les noyaux et ont à la fois des longueurs d'ondes proches des distances inter atomiques et des énergies avoisinant celles des excitations élémentaires de la matière condensée. Ils permettent ainsi une observation directe et non-destructive des positions et des mouvements atomiques. La gamme des distances et des temps sondés par les neutrons autorisent aussi bien de suivre le mouvement des atomes à l'échelle inter atomique que l'évolution d'une structure soit mésoscopique soit macroscopique sur des temps de moins d'une picoseconde à plusieurs heures. La gamme des techniques de diffusion utilisées pour couvrir un tel champ d'application est naturellement très large : différents types de diffractomètres permettent des études de structure atomique trés pointue et résolue dans le temps. Les spectromètres nous donnent accès à la dynamique d'une dizaine de femto- à plusieurs nanosecondes. La diffusion aux petits angles, la reflectomètrie et finalement la tomographie nous permettent de regarder la structure et la dynamique d'objets plus grands.
Il était illusoire de prétendre couvrir la totalité des systèmes désordonnés et l'ensemble des techniques de diffusion neutronique pertinentes au cours d'une école de 3 jours. Nous avons donc été amené à nous concentrer sur les liquides, les verres, les cristaux plastiques et les polymères. Ce choix s'est imposé par le souhait d'introduire les concepts de base, en acceptant de sacrifier certains domaines d'applications.
Il va de soi que l'étude approfondie de systèmes mettant en jeu plusieurs échelles de distance (structure moléculaire, portée des corrélations entre les molécules) et de temps (relaxations caractéristiques des divers phenomènes dynamiques selon leur extension spatiale) implique une pluralité de techniques expérimentales, complémentaires des différentes techniques neutroniques disponibles. Un des objectifs de cette école etait donc de préciser les domaines de pertinence des différentes techniques neutroniques disponibles en en situant la complémentarité avec d'autres approches instrumentales (diffraction des rayons X, EXAFS, RMN, etc.). Enfin la confrontation avec les résultats obtenus par simulation et modélisation numérique est essentielle à la compréhension des processus élémentaires dans ces systèmes complexes.
En première partie de cet ouvrage, on trouvera une description géntrale des systèmes désordonnés et une introduction aux techniques de diffusion de neutrons. Pour la partie concernant la structure, une revue des techniques de diffraction est suivie par des applications à des systèmes de complexité croissante (liquides métalliques simples, alliages liquides, semiconducteurs fondus, solutions aqueuses, verres d'oxydes). L'apport des méthodes de variation de longueur de diffusion (substitution isotopique pour les mesures aux neutrons, diffusion anomale des rayons X ou combinaison de ces deux techniques) permet la détermination des facteurs de structures partiels. Pour la dynamique, on a privilégié une approche introduisant progressivement le désordre en passant des solides aux liquides. Le concept de diffusion puis les particularités dynamiques des verres sont ensuite présentés et illustrés par des exemples concrets. Enfin la dernière partie est consacrée à la simulation numérique des propriétés dynamiques des verres et des liquides et à la modélisation de la structure par méthode de Monte Carlo inverse (RMC) à partir de l'ensemble des données expérimentales existant pour un système donné.
La communauté française a joué un rôle important dans le développement des techniques neutroniques dédites à l'étude des systèmes désordonnés et y a acquis une competence reconnue. Nous avons essayé, dans cet ouvrage, de privilégier les aspects pédagogiques des cours, pour les rendre accessibles aux scientifiques francophones non spécialistes en diffusion des neutrons. Nous saluons ici l'effort de rédaction, en langue française, des différents intervenants et souhaitons que cet ouvrage puisse participer à la formation et au renouvellement de la communauté neutronique française.
Helmut Schober et Henry Fischer (Editeurs scientifiques)
Françoise Leclercq-Hugeux (Présidente de la SFN)

Neutrons, sciences and perspectives

This volume “Neutrons, Sciences and Perspectives” presents a series of articles that emphasize and demonstrate the universality of the opportunities offered by neutron scattering techniques in wide domains of fundamental research and applications. These papers make good use of the specific properties of neutrons, such as their high penetration in most materials, their interaction with magnetisation, their ability to probe all nuclei and their selectivity between isotopes of the same atom. The different contributions focus on a few significant cases where the contribution of neutron scattering has been essential. Often written in a pedagogic style, the texts address researchers and students interested in this important experimental technique, easily accessible at several large facilities operated at the European level