Neutron diffraction of calcium aluminosilicate glasses and melts

International audienceThe combination of neutron diffraction with aerodynamic levitation and laser heating, pioneered by Neville Greaves and co-workers about 15 years ago, is an important tool for studying the structure of liquid melts. Since the first work on liquid Al2O3 published in 2001, the technique has been largely improved and experiments are now routinely performed at neutron sources, providing interesting structural information on various materials.In this paper, the structure of glass-forming compounds in the system CaO-Al2O3-SiO2 was measured by applying neutron diffraction with aerodynamic levitation. Results obtained in the liquid state above the melting point and from the glass at room temperatures are presented. Various compositions were studied by increasing the silica content and by changing the ratio CaO/Al2O3. As observed using other methods, the main structural changes relate to modification of the Al-O short range order

Structure and dynamics of calcium aluminosilicate melts

L’étude des silicates fondus présente un intérêt dans divers domaines de recherche comme la géologie ou la fabrication des verres avec des applications technologiques importantes telles que par exemple, le confinement des déchets nucléaires. Ces recherches demandent des informations fondamentales sur la structure et la dynamique de ces liquides au niveau microscopique mais l’acquisition des données est très souvent limitée par les températures de fusion élevées des composés étudiés. Notre travail s’est donc basé sur l’utilisation de techniques sans contact afin de s’affranchir de cette difficulté. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’étude des propriétés structurales et dynamiques de divers aluminosilicates de calcium (CAS) fondus. Pour cela, nous avons développé un dispositif utilisant la lévitation aérodynamique afin d’effectuer des expériences de diffusion quasi-élastique des neutrons. En combinant ces mesures avec la diffusion inélastique des rayons X, nous avons pu obtenir des résultats sur la dynamique microscopique des CAS à l’état liquide ainsi que dans le régime de surfusion. En particulier, nous avons pu déterminer l’évolution de la viscosité avec la température et les coefficients de diffusion cohérents. Nous avons pu aussi étudier l’évolution de la dynamique de ces verres en fonction de l’augmentation de la quantité de silice dans la composition. En parallèle de nos travaux sur la dynamique, nous avons aussi réalisé des expériences de diffraction de neutrons et de rayons X sur les mêmes compositions et températures afin d’examiner l’ordre atomique local et essayer de le corréler aux propriétés dynamiques observées.Because of their interesting properties as glass-forming systems, molten silicates play an important role in the geology of the Earth’s crust and mantle and are also of industrial interest for nuclear waste treatment. Research in these areas requires fundamental information on the microscopic structure and dynamics of silicate melts, but such measurements are hampered by the very high melting points of these systems. By extending the technique of aerodynamic levitation to inelastic neutron scattering, and also making use of inelastic synchrotron x-ray scattering, we have obtained results on the microscopic dynamics of silicates both above the melting point and in the supercooled regime. In particular, we have determined the temperature evolution of the viscosity and diffusion coefficient of calcium aluminosilicates, and thereby quantified the decrease in fragility of this glass-forming system as a function of increasing silica content. In parallel with our dynamical studies, we have performed x-ray and neutron diffraction experiments on the same compositions and temperatures in order to examine the local chemical order pertinent to the observed dynamical properties

Structure et dynamique d'aluminosilicates de calcium fondus

Because of their interesting properties as glass-forming systems, molten silicates play an important role in the geology of the Earth’s crust and mantle and are also of industrial interest for nuclear waste treatment. Research in these areas requires fundamental information on the microscopic structure and dynamics of silicate melts, but such measurements are hampered by the very high melting points of these systems. By extending the technique of aerodynamic levitation to inelastic neutron scattering, and also making use of inelastic synchrotron x-ray scattering, we have obtained results on the microscopic dynamics of silicates both above the melting point and in the supercooled regime. In particular, we have determined the temperature evolution of the viscosity and diffusion coefficient of calcium aluminosilicates, and thereby quantified the decrease in fragility of this glass-forming system as a function of increasing silica content. In parallel with our dynamical studies, we have performed x-ray and neutron diffraction experiments on the same compositions and temperatures in order to examine the local chemical order pertinent to the observed dynamical properties.L’étude des silicates fondus présente un intérêt dans divers domaines de recherche comme la géologie ou la fabrication des verres avec des applications technologiques importantes telles que par exemple, le confinement des déchets nucléaires. Ces recherches demandent des informations fondamentales sur la structure et la dynamique de ces liquides au niveau microscopique mais l’acquisition des données est très souvent limitée par les températures de fusion élevées des composés étudiés. Notre travail s’est donc basé sur l’utilisation de techniques sans contact afin de s’affranchir de cette difficulté. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l’étude des propriétés structurales et dynamiques de divers aluminosilicates de calcium (CAS) fondus. Pour cela, nous avons développé un dispositif utilisant la lévitation aérodynamique afin d’effectuer des expériences de diffusion quasi-élastique des neutrons. En combinant ces mesures avec la diffusion inélastique des rayons X, nous avons pu obtenir des résultats sur la dynamique microscopique des CAS à l’état liquide ainsi que dans le régime de surfusion. En particulier, nous avons pu déterminer l’évolution de la viscosité avec la température et les coefficients de diffusion cohérents. Nous avons pu aussi étudier l’évolution de la dynamique de ces verres en fonction de l’augmentation de la quantité de silice dans la composition. En parallèle de nos travaux sur la dynamique, nous avons aussi réalisé des expériences de diffraction de neutrons et de rayons X sur les mêmes compositions et températures afin d’examiner l’ordre atomique local et essayer de le corréler aux propriétés dynamiques observées

Structure and dynamics of calcium aluminosilicate melts

L étude des silicates fondus présente un intérêt dans divers domaines de recherche comme la géologie ou la fabrication des verres avec des applications technologiques importantes telles que par exemple, le confinement des déchets nucléaires. Ces recherches demandent des informations fondamentales sur la structure et la dynamique de ces liquides au niveau microscopique mais l acquisition des données est très souvent limitée par les températures de fusion élevées des composés étudiés. Notre travail s est donc basé sur l utilisation de techniques sans contact afin de s affranchir de cette difficulté. Dans le cadre de cette thèse, nous nous sommes intéressés à l étude des propriétés structurales et dynamiques de divers aluminosilicates de calcium (CAS) fondus. Pour cela, nous avons développé un dispositif utilisant la lévitation aérodynamique afin d effectuer des expériences de diffusion quasi-élastique des neutrons. En combinant ces mesures avec la diffusion inélastique des rayons X, nous avons pu obtenir des résultats sur la dynamique microscopique des CAS à l état liquide ainsi que dans le régime de surfusion. En particulier, nous avons pu déterminer l évolution de la viscosité avec la température et les coefficients de diffusion cohérents. Nous avons pu aussi étudier l évolution de la dynamique de ces verres en fonction de l augmentation de la quantité de silice dans la composition. En parallèle de nos travaux sur la dynamique, nous avons aussi réalisé des expériences de diffraction de neutrons et de rayons X sur les mêmes compositions et températures afin d examiner l ordre atomique local et essayer de le corréler aux propriétés dynamiques observées.Because of their interesting properties as glass-forming systems, molten silicates play an important role in the geology of the Earth s crust and mantle and are also of industrial interest for nuclear waste treatment. Research in these areas requires fundamental information on the microscopic structure and dynamics of silicate melts, but such measurements are hampered by the very high melting points of these systems. By extending the technique of aerodynamic levitation to inelastic neutron scattering, and also making use of inelastic synchrotron x-ray scattering, we have obtained results on the microscopic dynamics of silicates both above the melting point and in the supercooled regime. In particular, we have determined the temperature evolution of the viscosity and diffusion coefficient of calcium aluminosilicates, and thereby quantified the decrease in fragility of this glass-forming system as a function of increasing silica content. In parallel with our dynamical studies, we have performed x-ray and neutron diffraction experiments on the same compositions and temperatures in order to examine the local chemical order pertinent to the observed dynamical properties.ORLEANS-SCD-Bib. electronique (452349901) / SudocSudocFranceF

Time-of-flight neutron spectroscopy: a new application of aerodynamic sample levitation

A new version of a laser-heated aerodynamic levitation apparatus that enables the study of high temperature liquids by neutron spectroscopy is presented. This levitator was developed to be used on the IN6 neutron TimeOf-Flight (TOF) spectrometer at the European High Flux Neutron Source of the Institute Laue Langevin (ILL) in Grenoble, France. This device overcomes earlier restrictions to small sample sizes as routinely used for neutron diffraction studies on levitated liquids at high temperature, and makes other improvements in signal-to-noise ratio. A factor of more than three increase in sample volume in combination with the high flux and low background instrument IN6 makes quasielastic neutron scattering (QENS) studies on levitated molten oxides feasible. Here, we present results of a first QENS experiment towards the study of the relaxation dynamics of a molten CaO-Al2O3 sample. (© 2011 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

From Atomic Structure to Excess Entropy: A Neutron Diffraction and Density Functional Theory Study of CaO−Al2_{2} O3_{3} −SiO2_{2} Melts

Calcium aluminosilicate $\text{CaO}-\text{A}{{\text{l}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}-\text{Si}{{\text{O}}_{2}}$ (CAS) melts with compositions ${{\left(\text{CaO}-\text{Si}{{\text{O}}_{2}}\right)}_{x}}{{\left(\text{A}{{\text{l}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}\right)}_{1-x}}$ for x  <  0.5 and ${{\left(\text{A}{{\text{l}}_{2}}{{\text{O}}_{3}}\right)}_{x}}{{\left(\text{Si}{{\text{O}}_{2}}\right)}_{1-x}}$ for $x\geqslant 0.5$ are studied using neutron diffraction with aerodynamic levitation and density functional theory molecular dynamics modelling. Simulated structure factors are found to be in good agreement with experimental structure factors. Local atomic structures from simulations reveal the role of calcium cations as a network modifier, and aluminium cations as a non-tetrahedral network former. Distributions of tetrahedral order show that an increasing concentration of the network former Al increases entropy, while an increasing concentration of the network modifier Ca decreases entropy. This trend is opposite to the conventional understanding that increasing amounts of network former should increase order in the network liquid, and so decrease entropy. The two-body correlation entropy S 2 is found to not correlate with the excess entropy values obtained from thermochemical databases, while entropies including higher-order correlations such as tetrahedral order, O–M–O or M–O–M bond angles and Q N environments show a clear linear correlation between computed entropy and database excess entropy. The possible relationship between atomic structures and excess entropy is discussed