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Analyse Structurale multi-échelle de la Cuprite : Application à l’étude de la Métallurgie Préhispanique

Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (SIMM),
UMR 7615
Adresse  : ESPCI – 10 rue Vauquelin – 75231 Paris Cedex 05
Directeur de l’Unité : Christian Fretigny
Etablissement de rattachement : ESPCI/Sorbonne Université/CNRS
Encadrement : Jean-Baptiste d’Espinose, Benoît Mille (Centre de Recherche et de Restauration des Musées de France (C2RMF) / UMR7055 Préhistoire et Technologie) et Laurent Le Pollès (ENSC Rennes)
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Descriptif du projet

La cuprite, minéral naturel de formule Cu2O, est le matériau le plus ancien utilisé dans l’électronique des semi-conducteurs ; c’est également l’un des principaux composés mis en évidence lors de l’étude de la métallurgie ancienne des alliages cuivreux, tant dans les scories d’élaboration du métal, que dans les produits d’altération formés lors de la corrosion des objets archéologiques cuivreux.

La cuprite a donc fait l’objet d’un nombre important d’études expérimentales et théoriques, mais les connaissances actuelles sur sa structure atomique et électronique laissent ouverte un certain nombre de question clés. Ainsi, les applications émergentes de la cuprite en nanoélectronique, spintronique et photovoltaïque requièrent une compréhension fine et approfondie de l’ordre local dans le matériau ; elles ont récemment bénéficié du potentiel offert par la spectroscopie RQN (Résonance Quadripolaire Nucléaire), outil très sélectif de détection de la cuprite et d’étude de sa microstructure, grâce à la sensibilité de la méthode aux modifications de l’ordre local du 63Cu. En complément de la RQN 63Cu, il est possible d’observer la microstructure à l’échelle locale de la cuprite par imagerie de photoluminescence (collaboration avec le laboratoire IPANEMA).

L’objectif de la thèse est de caractériser et d’étudier la microstructure de la cuprite Cu2O dans des milieux complexes (scories anciennes d’élaboration du cuivre), en faisant appel à la complémentarité entre la RQN comme sonde locale de l’environnement du cuivre, la diffraction des rayons X moyennée dans l’espace pour la caractérisation des individus dans un système complexe, et l’imagerie de photoluminescence au synchrotron Soleil pour l’observation de certaines phases à plusieurs échelles. La première application se fera sur une problématique d’archéométallurgie du désert d’Atacama (Chili). Celui-ci abrite un patrimoine minier (10-15e s. ap. J.-C.) exceptionnellement bien conservé. L’étude de ce patrimoine est le cadre du Laboratoire International Associé Mines-Atacama.

L’étude fine du Cu2O par RQN 63Cu et par photoluminescence dans les scories de l’Atacama devrait permettre de remonter aux conditions de formation des cristallisations de Cu2O, ce qui est fondamental à la compréhension des mécanismes réactionnels en jeu lors de la transformation haute température du minerai de cuivre en métal. Par l’étude des scories, nous serons donc à même de déterminer le type de minerai dont elles proviennent, de reconstituer le déroulement des différentes réactions chimiques à haute température, de discuter le niveau de savoir-faire des métallurgistes préhispaniques et les implications économiques et sociales de l’implantation d’une exploitation minière et métallurgique de grande ampleur dans un milieu aussi hostile que le désert d’Atacama.

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