Materials Research Activities

Jerzy Zarzycki interview

Jerzy Zarzycki

Entrevue avec Hervé Arribart, B. Bensaude-Vincent, Arne Hessenbruch, Montpellier 10 Août 2001. Texte complété par Prof Zarzycki le 17 septembre 2001.

Hervé Arribart (HA): Pourriez-vous nous raconter comment vous en êtes venu à l'étude des verres?

Jerzy Zarzycki (JZ): Après avoir obtenu le diplôme d'ingénieur à l'Ecole Centrale des arts et manufactures de Paris en 1949, simultanément avec une licence dès science à l'Université de Paris, je suis entré au Laboratoire de Physique Enseignement à la Sorbonne dirigé par E. Darmois. J'ai soutenu en 1953 une thèse de doctorat à la Sorbonne sur la cryoscopie dans les solvants ignés aux températures élevées, avoisinant 1000°C.

A cette époque, l'étude des sels fondus intéresait surtout les métallurgistes qui cherchaient à améliorer l'élaboration classique de l'aluminium par électrolyse de l'alumine dissoute dans la cryolithe fondue. Des tentatives pour obtenir le titane par électrolyse ignée étaient aussi en cours. En me proposant de travailler sur des solvants ignés oxydiques (silicates, borates), le Professeur Darmois m'a orienté de fait vers le groupe des liquides qui constituent la base de l'industrie verrière. Pour mon sujet ceci était un handicap majeur car la crysoscopie qui est basée sur la mesure précise de très faibles variations du point de solidification nécessite des solvants à pouvoir de cristallisation élevé et à point de solidification bien défini; tout le contraire des compositions vitrogènes où l'on cherche à éviter à tout prix la cristallisation (ou dévitrification). Il m'a donc fallu trouver une solution et, finalement, mon choix s'est porté sur le métaborate de lithium qui s'est révélé être un solvant igné parfait.

Tout ce travail m'a permis de me familiariser avec les techniques d'étude des milieux fondus aux températures élevées. Entré en 1954 au Laboratoire de recherche de la Compagnie de Saint Gobain, dirigé par Y. Peychès (futur membre de l'Institut), j'ai pu, grâce à lui, entreprendre des recherches de base sur la structure du verre. Nommé chef de groupe, puis chef du laboratoire de recherche fondamentale, j'ai eu une très grande liberté d'action, liée aux moyens financiers importants. Cette époque fut le début d'un "âge d'or" de la recherche sur le plan mondial qui dura une diziane d'années. Toutes les grandes compagnies verrières en Europe, aux Etats-Unis et au Japon établissaient des laboratoires et rivalisaient dans leur équipement. Saint Gobain employait près de 1000 chercheurs et techniciens dans trois centres de recherche.

La recherche fondamentale que j'y ai menée fut tout d'abord consacrée à l'étude de la structure des sels fondus et des mélanges d'oxydes simples par diffraction de Rayons X à haute température. A cette époque, même la structure de NaCl fondu était inconnue! J'ai imaginé une chambre de diffraction X originale pour l'étude des liquides à températures pouvant atteindre 600°C qui a permis d'obtenir des résultats inédits.

 

L'appartition d'autres techniques - spectrographie infra-rouge et surtout microscopie électronique - a considérablement élargi le champ des investigations sur la structure du verre à température ambiante. Pour les milieux fondus à hautes températures, il fallait adapter les méthodes usuelles ou créer des dispositifs nouveaux. Ce fut le cas dans l'étude des propriétés optiques (indice de réfraction) ou magnétooptiques (constante de Verdet) des sels fondus qui constituèrent les premières de ce genre. Pour simuler les processus de fusion, un modèle analogique à deux dimensions d'un liquide ionique fut construit. Un ensemble de flotteurs munis de barreaux aimantés représentant les ions, placés à la surface d'un plan d'eau agité, pouvait être filmé pour la détermination des positions des flotteurs, image par image.

HA: Quel était l'intérêt de Saint-Gobain pour les sels fondus ?

JZ: Les sels fondus sont utilisés dans la technique verrière pour la trempe chimique du verre. En modifiant la composition des couches superficielles on peut introduire des contraintes de compression importantes en surface ce qui accroît considérablement la résistance mécanique. Les hublots du Concorde ont été traités de cette manière.

En ce qui concerne mes recherches à Saint-Gobain, l'étude des sels fondus avait un but purement fondamental: elle constituait simplement une étape pour comprendre les modifications structurales qui se produisent lors de la fusion des solides ioniques avant d'aborder la modélisation des structures plus complexes des réseaux partiellement covalents des liquides oxydiques pouvant former des verres.

A cette époque les sels fondus intéressaient surout les laboratoires travaillant aux applications électrochimiques (piles à combustible). Par exemple, ce sujet concernait aux USA : Pr. J.O'M.Bockris (Université de Philadelphie) et Pr. B.R. Sundheim (Université de New York); au Japon Pr. M. Shimoji (Université de Hokkaido, Sapporo). L'étude des propriétés de transport (conductibilité électrique) était privilégiée aux dépens de l'étude de la structure. D'autres groupes étaient situés à Trondheim en Norvège (Pr. K Grjotheim, Pr. T. Förland) et à Hobart en Tasmanie (Pr. H. Bloom). Aux USA le projet de réacteur nucléaire aux sels fondus a mobilisé des équipes importantes aux laboratoires de Oak Ridge (W.R. Grimes, M. Blander).

HA: Sur quel genre de poste avez-vous été nommé ?

JZ: En 1970 je suis passé du monde industriel au monde universitaire ce qui, en France, est un parcours assez exceptionnel. On m'a proposé la Chaire de Science des Matériaux à l'Université de Montpellier. C'était le premier "emploi"attribué à la science des matériaux en France. J'ai eu pour mission de créer une filière sciences des matériaux dans le style déjà éprouvé aux USA et en Grande Bretagne, avec une forte liaison entre science et technique. Le but était de former des ingénieurs à l'université, alors qu'en France les ingénieurs sont traditionnellement formés dans les "grandes écoles". Ce projet s'inscrit dans la continuité des mesures prises en 1968 pour réformer le système éducatif. Des filières de sciences et techniques furent créées dans les universités de Montpellier, Lille,Clermont-Ferrand, Saint-Denis/Villetaneuse et Compiègne. Le mouvement est parti de Montpellier grâce à l'énergie du Doyen Casadeval et plusieurs filières y ont été créées répondant à diverses orientations : "Informatique de gestion" pour les mathématiciens, "électronique et robotique" pour les physiciens, "Eau" pour les géologues, "Alimentation" pour les biologistes et enfin "Science des matériaux" à la fois pour les physiciens et les chimistes.

Pour établir le curriculum des études de la filière, j'ai dû faire une enquête poussée auprès d'une série d'universités américaines et britanniques dispensant un enseignement de science des matériaux; ce travail, qui m'a pris près d'une année, fut effectué quand j'étais encore rattaché à Saint-Gobain. Le plan détaillé a été approuvé par l'Université avant d'être transmis au Ministère.

HA: Quel était le paysage à l'Université de Montpellier en 1970 ?

JZ: L'université souhaitait vivement l'implantation de la filière Sciences des Matériaux. Elle disposait d'un potentiel enseignant important dans les discipines classiques: physique, chimie, mécanique mais il fallut créer des enseignements nouveaux, spécialement adaptés et plus orientés vers les applications industrielles. Ceci motiva ma venue à Montpellier. En chimie organique, l'absence d'un cours sur les polymères a nécessité le transfert d'un spécialiste de l'Université de Strasbourg (Pr. F. Schue).

En ce qui concerne la recherche, il y avait des laboratoires très puissants et bien équipés : un laboratoire d'électronique et semi-conducteurs (Pr. Pistoulet ; Pr. Dumontet, Pr. Savelli), d'optique (Pr. Cecchi), de mécanique des solides (Pr. Jouty), de radiocristallographie (Pr Falgueirettes), de chimie (Pr. Potier, Pr Maurin, Pr Jacquier). Le laboratoire de Sciences des Matériaux associé à mon poste était rattaché à la physique mais la recherche qu'on y faisait relevait à la fois de la physique et de la chimie ce qui posait un certain nombre de problèmes. Mon enseignement se faisait intégralement dans la filière science des matériaux.

B. Bensaude-Vincent, BBV: Comment recrutiez-vous les étudiants dans cette filière ?

JZ: C'est une filière très sélective. Les étudiants étaient recrutés sur dossier au niveau Bac +2 après le DEUG. Environ 30 à 40 candidatures étaient retenues par an sur 600 demandes (récemment le nombre des demandes a atteint 1000) Un ou deux candidats étaient pris de l'IUT (Institut universitaire de technologie) dont généralement le major de promotion. La formation comprend trois années d'études. Les étudiants étaient souvent pré-embauchés avant la fin des études.

BBV: Votre laboratoire dépendait-il du CNRS ?

JZ: Oui, initialement le Laboratoire de sciences des matériaux de l'Université attaché à ma chaire était tout petit et insuffisant pour le développement escompté de la filière. Heureusement le CNRS a eu la bonne idée de transférer de Paris à Montpellir le Laboratoire du Verre, d'abord situé à l'Institut d'Optique pour le placer sous ma direction. C'était l'un des rares laboratoires propres du CNRS et, comme tel, relativement bien doté, si on le compare à des laboratoires universitaires couramment soutenus par le CNRS. En prenant la direction du laboratoire du verre j'ai pu non seulement développer le pôle "verre" à Montpellier mais aussi faire bénéficier les élèves de la filière Matériaux d'un soutien logistique et technique (travaux pratiques) introuvables à l'Université.

HA: A quelle section du CNRS étiez-vous rattaché ?

JZ: A la section "Physique". Ceci était d'ailleurs une source de difficultés, car notre recherche avait une forte connotation chimique; il était parfois difficile de faire apprécier nos résultats par des spécialistes s'attendant à des recherches sur "les verres de spin".

BBV: Quels étaient les thèmes de recherche de votre laboratoire ?

JZ: C'est une très vaste question à laquelle il est difficile de répondre rapidement. J'ai préparé une notice chronologique avec la liste complète des publications à laquelle vous pourrez vous reporter pour le détail (voir Research Summary ci-dessus). Initalement les travaux étaient orientés vers l'étude des vitrocéramiques obtenues par la cristallisation catalysée des verres. En partant d'un verre de composition spécialement choisie, on pouvait synthétiser des matériaux cristallins aux propriétés très variées. Les vitrocéramiques à très haute résistance mécanique nécessitaient des verres de départ fondant aux hautes températures et très difficiles à préparer. Ceci nous a conduit vers la voie de basse température fondée sur l'utilisation des gels, formés à température ambiante, puis séchés et convertis en verre à des températures très inférieures aux températures normalement requises pour la fusion. L'étude de la voie "sol-gel" a pris une extension considérable dans les travaux du laboratoie. Les différentes étapes ont été étudiées en détail, en particulier la préparation de gels monolithiques pour des verres utilisables en optique fine et optoélectronique.

La vitrocéramisation des verres de chalcogénures a conduit à des matériaux transparents dans l'infra-rouge et ayant en même temps des propriétés mécaniques améliorées.

Un autre thème était la préparation de vitrocéramiques poreuses pour des applications prosthétiques (implants d'os artificiel). L'étude de ces biomatériaux a été faite en collaboration étroite avec l'Unité de recherches Biomécaniques de L'INSERM (dirigée par Pr P. Rabischong). Des expérimentations sur animaux pendant plus de huit ans ont démontré l'excellent ancrage de ces implants et leur parfaite tolérance par l'organisme vivant. Ces travaux n'ont pu être expérimentés sur l'homme en France alors qu'en Chine ils ont conduit, semble-t-il, à des applications pratiques.

De plus nous avons eu une collaboration avec le Centre nucléaire de Marcoule, poursuivie pendant de nombreuses années. Elle concernanit l'étude de verres pour le confinement des déchets nucléaires et la possibilité d'application de la voie sol-gel. Des études de la structure des verres et vitrocéramiques contenant des ions de métaux de transition ou de terres rares faisant appel à des techniques spectroscopiques diverses: RPE, Mössbauer, fluorescence, etc, ont conduit à des résultats nouveaux sur les transformations survenant au cours de la vitrocéramisation. Les études systématiques des propriétés mécaniques des verres par la mesure du facteur d'intensité de contrainte critique (ténacité) en fonction de la composition furent les premières du genre.

A la fin de mes trois mandats (maximum autorisé par le nouveau règlement du CNRS), j'ai dû abandonner, en 1984, mes fonctions de directeur. Le statut de "laboratoire propre" a été supprimé, et le personnel incorporé dans un ensemble englobant plusieurs laboratoires de l'Université sous le nom de Laboratoire des matériaux vitreux. Dans cette nouvelles structure j'ai dirigé un groupe de chercheurs en étroite collaboration avec des équipes universitaires à l'étranger:

Cette période (1985-97) a été consacrée à l'étude détaillée du processus sol-gel et plus particulièrement des sols-gels obtenus par irradiation ultrasonique, auxquels j'ai donné le nom de "sonogels". La structure des sonogels et les cinétiques de gélification ont été suivies par diffusion centrale des rayons X (SAXS) au laboratoire synchrotron LURE à Orsay, France et les résultats structuraux modéliséés en termes de concepts fractals. On a également exploré l'utilisation des sonogels dans la préparation des composites contenant des particules ou des fibres ainsi que la formation des couches minces pour la protection des métaux.

HA: Etiez vous en contact avec les chimistes qui travaillaient sur les sols-gels?

JZ: Nous avons commencé à travailler sur les sols-gels en 1973. A l'époque seul Jacques Livage travaillait sur les sols-gels d'oxydes de vanadium mais nous n'étions pas en contact car nos travaux étaient orientés vers les gels des silicates et silico-aluminates pour les vitrocéramiques. Nous n'avions pas de contacts avec d'autres chimistes en France.

Arne Hessenbruch (AH): Quels étaient vos contacts avec d'autres laboratoires?

JZ: Nous entretenions des contacts personnels avec un certain nombre de laboratoires travaillant sur les verres, surtout aux USA : Pr. J.D. Mackenzie (UCLA, Los Angeles), Pr D. Uhlmann (MIT, puis Tucson, Az, Pr L. Hench (Gainesville) et au Japon avec Pr S Sakka (Kyoto), en Espagne, L. Esquivias de Cadix et au Brésil (M. Aegerter de Sao Carlos). Bien d'autres collaborations ont été établies en vue d'exploitation de techniques spécifiques. J'ai souvent rencontré Pr. Paul Hagenmuller qui dirigeait un "laboratoire propre" du CNRS, dans des congrès à l'étranger, le plus souvent aux USA et au Brésil. La présence dans mon laboratoire de chercheurs et thésards venus de nombreux pays - Chine, Japon, Inde, Indonésie, Egypte, Espagne, Brésil - a contribué à sa renommée internationale.

J'ai de plus assuré des cours sur la science du verre à l'Ecole d'ingénieurs de Tunis (ENIT) pendant une dizaine d'années, à l'Institut d'Optique et de Mécanique fine de Shangai en Chine ainsi qu'à l'Institut National LIPI de Bandung (Indonésie).

BBV: Aviez vous des liens avec l'industrie?

JZ : Oui nous entretenions des relations étroites avec l'industrie dans le cadre des contrats de recherche de thèse et pour le placement des ingénieurs issus de la filière Matériaux. Ces contrats privés étaient absolument vitaux pour le fonctionnement du laboratoire car les contrats d'Etat étaient souvent trop lents à venir pour retenir les candidats (surtout étrangers) qui se présentaient. Le financement par l'industrie représenta certaines années jusqu'à 60% du budget de fonctionnement du laboratoire. Pendant plusieurs années le contrat US Air Force nous a fourni des moyens très importants pour les recherches sur les composites à partir des sonogels pour des applications spatiales. Par ailleurs, j'ai fait partie des groupes de réflexion de l'ESA et du CNES sur les projets d'expérience en apesanteur dans le SPACELAB et les navettes spatiales.

AH: Et avez vous gardé des liens avec Saint-Gobain, une fois à l'Université?

JZ : Oui Saint-Gobain m'a beaucoup aidé lors de mon installation à Montpellier en me donnant une partie du matériel (ancien) de laboratoire pour démarre la recherche et installer quelques travaux pratiques sur le verre pour les élèves de la filière. Par la suite nous avons gardé d'excellentes relations qui se sont concrétisées par des contrats de recherche. Mon ancien collaborateur F. Naudin a fait partie du conseil pédagogique de la filière matériaux. Mais c'est avec la société Corning que certains de mes élèves ont fait de belles carrières. Ceci peut s'expliquer par la nature de nos recherches: Corning fut le pionnier des vitrocéramiques et s'intéressa aux procédés sol-gel, jusqu'à financer des brevets de recherche sur les gels monolithiques mis au point par nos équipes, alors que Saint Gobain se cantonnait plutôt, à cette époque, à l'industrie verrière lourde.

AH: Comment avez-vous entrepris de rédiger votre livre sur les verres ?

JZ : Il manquait un ouvrage de base en franççais sur les verres pouvant servir à la formation des étudiants en sciences des matériaux. Il y a vingt ans, la plupart des traités, écrits en anglais, soit ne couvraient que des aspects limités du problème, soit étaient des ouvrages collectifs rassemblant des contributions de divers spécialistes. Comme tels, ils manquaient d'unité et ne s'adressaient qu'à des chercheurs confirmés. Mon livre Les verres et l'état vitreux, paru en 1982, représente le cours sur la science du verre que j'ai professé dans la filière matériaux.La rédaction proprement dite a pris deux ans. Auparavant la longueur de l'ouvrage et son organisation avaient été discutées avec l'éditeur Masson de façon à arriver à un livre d'un prix abordable pour les étudiants. A la demande de nombreux collègues américains (qui traduisaient mon livre pour leur cours) une traduction en anglais du texte réactualisé a été publiée en 1991 par Cambridge University Press.

HA: Et vous avez publié un autre livre.

JZ: Pr Robert Cahn m'a demandé d'être l'éditeur du volume 9 de la série Materials Science and Technology qui comprend 18 volumes. J'ai fait le choix des contributeurs que j'ai estimés être les plus représentatifs. J'ai dû toutefois exclure les vitrocéramiques qui devaient être traitées dans le volume sur les céramiques (vol. 17). Mais ce n'est pas un livre pour les étudiants. Ce livre, qui contient une bibliographie étendue s'adresse en priorité aux chercheurs en cours de thèse et aux chercheurs confirmés.

BBV: Dans quels journaux avez-vous publié vos travaux?

JZ: Au total j'ai plus de 230 publications. Comme vous pouvez le constater le choix s'est porté surtout sur les Comptes-rendus de l'Académie des sciences, le Journal de Physique, le Journal de Chimie physique, la revue Verres et réfractaires, le Journal de Chimie physique, Physics and Chemistry of Glasses puis le Journal of Material Science. Le lancement du Journal of Non-Crystalline Solids, (JNCS) grâce à l'initiative du Pr J.D. Mackenzie a attiré une grande partie des publications vers ce journal bien ciblé. Moi-même j'ai été éditeur régional (pour la France) de ce journal depuis sa création en 1968 jusqu'en 1993. De nombreuses publications ont paru dans les comptes-rendus de divers congrès. JNCS en a cependant publié un grand nombre sous forme de volumes spéciaux, ce qui rend leur accès plus facile. Il en est de même actuellement pour les travaux sur les sols-gels, grâce à la création récente du Journal of Sol-Gel Science and Technology par Pr. S Sakka.

BBV: Quel fut d'après vous l'impact de la science des matériaux sur la science du verre proprement dite?

JZ: La science des matériaux procède par généralisations et permet des transpositions d'un même concept d'une classe de matériaux à une autre. C'est ainsi que l'on a pu prendre, par exemple, des théories développées par les métallurgistes et les utiliser dans le cas des céramiques et du verre. L'exemple typique est la théorie de décomposition spinodale, développée en 1965 par J.W. Cahn et qui a permis d'expliquer certains aspects des phénomènes de démixtion dans les verres. Le procédé de vitrocéramisation est calqué sur des traitements thermiques classiques induisant des transformations de phases.

HA: Avez vous noté des évolutions significatives depuis que vous êtes parti en retraite?

JZ: On utilise de plus en plus la simulation par ordinateur pour étudier le comportement dynamique des structures désordonnées idéalisées et les décrire par des concepts fractals. L'utilisation de nouvelles techniques d'exploration de la surface du verre par les différentes microscopies en champ proche pose des challenges fascinants.

HA: Y-a-t-il des idées que vous auriez aimé explorer plus avant?

JZ : J'avais toujours été intéressé par les composites mixtes "organo-inorganiques" que l'on rencontre dans la nature. Les coquilles de mollusques et leur mode d'attache au muscle assurant la fermeture, les squelettes en chitine fortement sclérifiée de certains insectes, le récif de corail vivant au moment de sa formation, etc. posent le problème de l'interface minéral/vivant que j'aurais été heureux d'explorer en utilisant les techniques les plus actuelles.

This page was last updated on 18 October 2001 by Arne Hessenbruch.