Impact de la production de biosurfactant sur la remobilisation et la biodégradation des HAP par une communauté bactérienne issue d'un site contaminé

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Approche spectroscopique de la structure de verres silicatés. Application au cas du fer et du magnésium

During the last 10 years, I focused my research topics on silicate glass structure. More specifically I have been interested by two main components of natural and technological silicate glasses, Fe and Mg. Using solid state spectroscopic methods adapted to the disordered nature of glass coupled to molecular dynamics simulation and modelisation or ab initio calculation, I have studied the environment of iron and magnesium and their impact on glass properties. Information on the distribution of environments in glasses have been extracted.Les verres silicatés naturels sont les témoins directs de l'activité dynamique de la Terre. Les verres volcaniques sont issus de la fusion du manteau (à des profondeurs variables) et permettent d'accéder à des échantillons non accessibles par prélèvement, remontés en surface via les éruptions volcaniques. Les différences de composition observées d'un verre volcanique à l'autre sont les signes de l'hétérogénéité de la Terre ou de phénomènes de différentiation chimique complexes. Les tectites, autres verres naturels silicatés, sont quant à elles des témoins très anciens (de 35 Ma à moins d'1 Ma) des chutes d'objets météoritiques à la surface de la Terre et apportent des informations indirectes sur la composition de la planète à ces époques lointaines et sur ce qu'elle subissait. L'existence de verres aussi anciens permet également de les utiliser comme des analogues de matrices vitreuses de stockage de déchets ménagers ou nucléaires qui auraient subi l'action d'agents altérants sur des échelles de temps géologiques courtes (basaltes) ou très longues (tectites). Du point de vue technologique, les verres silicatés font partie intégrante de notre quotidien (habitat, vaisselle, automobile, verres techniques...) et ce depuis plusieurs milliers d'années. La conception de nouveaux matériaux nécessite une compréhension fine de la structure des verres eux-mêmes pour faire le lien avec les propriétés attendues. Dans le domaine spécifique des matériaux du patrimoine, la compréhension des processus d'altération des vitraux permet certes de protéger les vitraux actuels et de limiter les processus d'altération des vitraux historiques, mais fournit également des analogues pour les études de l'altération des verres de stockage à des échelles de temps intermédiaires entre l'échelle des temps géologiques et l'échelle de temps d'une expérience au laboratoire. Une connaissance approfondie de la structure des verres, via notamment les comportements des différents oxydes qui les composent, s'avère indispensable pour mieux contraindre les modèles géochimiques de description du comportement dynamique de notre planète, pour maîtriser les propriétés des verres technologiques et en concevoir de nouvelles, pour comprendre les phénomènes d'altération des verres sous l'action de divers agents altérants et pour prévoir la durabilité des matériaux créés. D'un point de vue fondamental, la compréhension de la structure du verre et du phénomène de la transition vitreuse reste d'actualité. Outre l'absence d'ordre à longue distance qui est une caractéristique intrinsèque du verre, la variabilité des sites cristallochimiques accessibles aux différents éléments est une spécificité à prendre en compte lors de l'interprétation des données. L'élargissement des signaux expérimentaux des verres, quelle que soit la technique choisie, est un signe de la distribution des environnements. Les méthodes d'analyse classiques, dérivées de l'étude des matériaux cristallisés sont alors inadaptées à l'analyse des spectres des verres. Enfin, l'absence de modèle structural, lié au fait que contrairement aux cristaux, la structure des verres ne peut pas être déterminée de façon univoque par diffraction des rayonnements (X ou neutrons) est aussi un souci constant lors de l'interprétation des résultats. Au cours de ces 10 années de travaux de recherche sur la structure des verres silicatés, je me suis intéressée à l'environnement du fer et du magnésium, deux composants essentiels des verres d'oxyde naturels ou synthétiques tant du point de vue de leur abondance que de leur influence sur les propriétés physico-chimiques des verres. Dans un souci constant de tirer le plus d'informations fiables possibles de l'analyse des spectres expérimentaux, j'ai sondé la structure du verre en utilisant des méthodes chimiquement sélectives donnant accès directement à l'environnement local du fer (effet Mössbauer) ou du magnésium (spectroscopie d'absorption des rayons X). Les méthodes d'analyse des spectres expérimentaux ont été adaptées à la nature désordonnée du verre. Dans le cas du fer, deux méthodes complémentaires me permettent d'accéder aux distributions de paramètres Mössbauer dans le verre. Dans le cas de l'étude de l'environnement du magnésium, les signaux d'absorption des rayons X varient selon la géométrie du site considéré. Pour accéder aux distributions des sites du magnésium, j'ai utilisé des simulations de structure (établies par dynamique moléculaire) afin de réaliser un calcul ab initio des spectres d'absorption des rayons X. Les simulations structurales, une fois validées par la comparaison avec l'expérience, permettent d'accéder aux sites individuels qui apparaissent tous différents les uns des autres. Dans les deux approches, j'ai ainsi pu extraire des informations sur la distribution des environnements, image du désordre structural. Cette méthodologie a généralement été mise en place pour des compositions de verres simplifiées avant d'être appliquée à des verres complexes

Etude de la structure de verres magnésio-silicatés (approche expérimentale et modélisation)

Le magnésium est l'un des quatre éléments majeurs sur Terre. Il est présent dans différentes proportions dans les verres industriels et naturels (jusqu'à 30 poids% dans les komatiites, verres ultramafiques d'âge archéen). Sa présence semble influencer les propriétés physico-chimiques des verres et tout spécialement leur durabilité. Malgré ce comportement, le magnésium a été relativement peu étudié dans les verres et les études précédentes ont conduit à des contradictions sur son environnement (coordinence 4 et 6 par RMN et en coordinence 5 par diffraction des neutrons). Dans le but de lever ces contradictions, l'étude de la structure des verres magnésio-silicatés et de l'environnement du magnésium a été réalisée en utilisant deux méthodes complémentaires : la spectrométrie Raman et la spectroscopie d'absorption des rayons X. La spectroscopie Raman permet d'obtenir des informations sur la structure des verres telle que la connectivité du réseau silicaté, la variation des angles Si-O-Si ou la modification de la taille des anneaux de silicium. Plus précisément, les variations de la région des spectres Raman comprise entre 800 et 1400 cm-1 illustrent l'évolution du degré de polymérisation des verres en fonction du taux de magnésium, du taux de silicium et de la nature de l'alcalin modificateur de réseau. La spectroscopie d'absorption des rayons X au seuil K du magnésium nous a permis d'accéder à l'environnement spécifique autour de cet ion. Les spectres XANES des verres ont été comparés à ceux de références cristallines contenant du magnésium dans différents environnements (coordinence et nature des voisins notamment). Pour aller au-delà de la méthode dite d'empreinte digitale , et extraire des informations structurales pertinentes, les spectres XANES des cristaux et des verres ont été calculés. Les calculs ont été réalisés avec un code basé sur une méthode en ondes planes, dans l'espace réciproque avec l'utilisation de potentiel non muffin-tin. L'utilisation des calculs a permis de mettre en évidence des paramètres structuraux pertinents pour expliquer la position des structures XANES. Pour les verres, les structures initiales utilisées pour les calculs ont été obtenus par dynamique moléculaire classique puis relaxée de façon ab initio. L'environnement du magnésium (coordinence/distorsion) peut varier en fonction de la composition du verre. De ce fait, les interprétations classiquement réalisées des spectres Raman des verres doivent être considérées avec précautionThe structure of magnesio-silicate glasses have been studied by using two complementray spectroscopic methods : (i) The Raman spectroscopy allows to obtain information on the silicate network and on the network connectivity. The variations of the region between 800 and 1400 cm? show the evolution of the polymerization degree as a function of various compositions. (ii) The local environment of the magnesium has been investigated by X-ray absorption spectroscopy at the Mg K-edge. The XANES spectra have been compared with the spectra of model compounds containing magnesium in different environments. As it is not straightforward to extract relevant structural information of crystalline model compound spectra by the "fingerprint" method, we have used ab initio calculations based on the planewave method. The results obtained by calculations have allowed us to connect relevant structural characteristics with the positions of the XANES featuresPARIS-EST-Université (770839901) / SudocSudocFranceF

Water in Zr-bearing synthetic and natural glasses

International audienceThe local environment of similar to 1400 ppm Zr in hydrous synthetic glasses (sodium trisilicate and albitic) has been probed at the Zr K-edge by X-ray Absorption Fine Structure (XAFS) spectroscopy and compared to that for natural glasses (volcanic and tektitcs). In most glasses (anhydrous and hydrous), Zr is found to be 6-coordinated by oxygen, with Zr-O distances of similar to 2.08 Angstrom. However, in anhydrous albite glass, the Zr-O distance increases to 2.12 Angstrom, related to the presence of highly-coordinated Zr-environments (7,8) in the glass. Network-forming, next-nearest neighbour T (T = Si/Al) contributions are measured near 3.6 Angstrom, suggesting corner-sharing ZrO6-TO4 polyhedra. We observed no large effect due to the presence of water in these glasses, suggesting that molecular water and hydroxyls are not likely to complex Zr in these compositions. However, a slight structural relaxation of the tetrahedral framework (increased network fragility with a small production of NBO's) is observed around Zr in albitic compositions with more than 1 wt.% water. Then, no strong evidence for depolymerization induced by water is observed around Zr (Zr being used in that study as a probe for trace amounts of NBO's). By comparison with transition elements (Fe and Ni), Zr appears to be much less affected by the introduction of water. The conclusions for Zr are likely to be extrapolated to natural magmas, as the natural glasses probed show similar environments around Zr. Then, oxygen appears the most efficient anion to "complex" Zr, as compared to water, hydroxyls, halogens, CO2 or S

Iron in silicate glasses: spectroscopy and simulations

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Raman spectroscopy of silicate glasses and melts in geological systems

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Raman spectroscopy of silicate glasses and melts in geological systems

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Advanced analyses of \textsuperscript{57}Fe Mössbauer data of alumino-silicate glasses

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Structural study of Mg-bearing sodosilicate glasses by Raman spectroscopy

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