Sciences : histoire orale

Transcription : Arne Hessenbruch

Pour citer l'entretien :

« Entretien avec Bernhardt Wuensch », par Arne Hessenbruch, 9 January 2001 Sciences : histoire orale, https://sho.spip.espci.fr/spip.php?article133.

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Entretien avec Bernhardt Wuensch, par Arne Hessenbruch, 9 January 2001

Lieu : Dibner Institute, USA

Support : enregistrement non précisé

Edition en ligne : Sophie Jourdin

WHITTINGHAM Stanley, 2000-10-30

Sophie Jourdin — 2011-11-11T22:33:28Z

Michael Stanley Whittingham is one of the main figures in the history of rechargeable batteries. From the late 1960s until now he has examined promising materials for use as cathode, anode, or electrolyte. He pioneered the use of titanium disulfide for cathodes, now commonly used. He also initiated the concept of intercalation. This term refers to the insertion of positively charged ions into the cathode material. In a rechargeable battery, Li+ ions are typically inserted between layers of the titanium disulfide cathode while the battery is being charged, and then de-intercalated during discharge. That the process of intercalation and de-intercalation of ions leaves the basic structure of the host material intact, so that the charge and discharge can take place repeatedly, was an understanding forged in the 1970s and early 1980s, and in which Whittingham played an important role. He has also been prominent in the field through the editing of its main journal, Solid State Ionics, from its inception in 1981.

Whittingham went into management for a number of years (1984-1988), while the field forged ahead. Japanese companies, in particular, made great strides in the commercialization of lithium titanium disulfide rechargeable batteries. When he rejoined battery research, the Japanese lead was becoming dominant, embodied in a raft of patents.

Since 1988, Whittingham has explored further materials with a view to improving batteries still further, both with regard to size and to performance. This will not change drastically the way in which the energy economy is currently organized (for example, the electrical vehicle is not around the corner), but smaller and more powerful batteries will impact upon the cost and design of portable electronics.

Biographie détaillée

STANLEY WHITTINGHAM (SW) : I graduated with a PhD in solid-state chemistry (from Oxford).

BERNADETTE BENSAUDE-VINCENT (BBV) : So you were trained as a chemist, mainly ?

SW : Yes.

BBV : And why did you go to Stanford, with Prof. Huggins ?

SW : Because in my time almost everyone from Oxford came to the States for one or two years. That was expected if you wanted an academic or an industrial job. It changed a lot... 1968. And why Stanford ? It was on the West Coast, California had sun.

BBV : And your PhD was on tungsten bronzes ?

SW : That's right : tungsten oxides and tungsten bronzes.

BBV : And how did you choose this topic ? It was not that popular ?

SW : No, I think Oxford always had a very active program in solid state. There were three or four faculty there interested in solid-state.

BBV : Who was that ?

SW : Peter Dickins was my advisor ; and J. S. Anderson was head of the department. And Jack Lunette was also there, and he was interested in the theory of calxes. So initially we were studying (?) catalytic activity, and how all that changed with the changes in the electronic properties of the material. There was a great deal of interest in the crystal structure, or rather the band structure, that controls the catalytical activity.

BBV : So it was mainly for catalysis in Britain ?

SW : Right. And we chose a very, very simple reactant : mainly oxygen atoms, and we just looked at how they recombine at the surface. And this was at the time of Sputnik and the US Air Force paid for the research.

BBV : Even the research conducted in Oxford ?

SW : They paid through their London office. Because they were interested in how various species (?) reacted outside their space ships.

BBV : So it makes sense in fact.

SW : Right. And that was the topic of my masters degree mainly. And then we looked at the same materials as catalysts potentially for gas production. And the Gas Council paid for that research. But within a few months of me starting the research, they struck natural gas in the North Sea.

BBV : And you stopped the project ?

SW : No, they said : we are not really interested in what you are doing anymore, but you have got the money. Do what you want and don't bother us too much.

BBV : And in those days money was easy to get ?

SW : Oh yes, you turned down money in those days.

ARNE HESSENBRUCH (AH) : You mean this was the case between the oil crisis and the discovery of natural gas in the North Sea ?

SW : No, they discovered gas in the North Sea before the 1973 oil crisis.

AH : Why did the money flow easily ?

SW : Well, the money came from the Gas Council and they made gas basically from coal. So they wanted a better catalyst to convert. Natural gas avoids all that messy stuff. The rest is really history. London cleaned itself up because they stopped burning coal.

BBV : And then, when you moved to Stanford who was there ? And how was the lab ?

SW : I worked for Bob Huggins there. And that was quite a switch. In England, France, and Germany, solid-state chemistry was a respectable subject. Chemistry departments did solid-state chemistry. In the US you could count the number of solid-state chemists on the fingers of one hand. So I went to a materials science department, not to a chemistry department.

BBV : Was Huggins considered a solid-state chemist ?

SW : He was a materials scientist with a PhD form MIT and he set up a new centre for materials research at Stanford. His interest was in solid-state electric chemistry ; how ions move in solids and things like that. And at that time the Ford Motor Company had just discovered that sodium ions move very fast in a material called beta-alumina. Sodium ions move almost as fast in that solid as they do in a liquid.

BBV : So it was the time of the beta-alumina ?

SW : Yes. Ford published their data in 1967, and I went to Stanford in 1968.

BBV : Did you continue your research on tungsten bronzes there ?

SW : Yes and no. I measured the conductivity of beta-alumina. That is what we tried to do. We has to have electrodes that were reversible to electrons, so we could get a current, and to the ions that were moving. So we paid attention to bronzes that had sodium in them, to metallic conductors, to see if they would make good electrodes. So we have narrowed the Oxford work into the Stanford work.

BBV : And how did you develop the batteries using tungsten bronzes.

SW : I arrived at Stanford in February. In May or June of that year Bob Huggins left to go to Washington to run this whole suite of advanced research centres of materials (?) of which MIT is the last surviving. So he went there and manned those for about two and a bit years. I remained at Stanford and continued my research on the basics. And about the same time, there were others in the medical field who were interested in batteries for pace makers and things like that and there was a number of good silver iodide conductors... (?). And it struck us that sodium or potassium had an advantage over silver because they yield a bigger current. And that is where we got the interest in actually using them. Beta-alumina as the electrolyte and we thought of sodium and some oxides as the electrodes.

BBV : And how did you come to your favourite, titanium disulfide ?

SW : Ah, that is a jump.

BBV : Yes, because you took the patent out in 1973.

SW : Right. While I was at Stanford a number of other people, in particular Hector Ball, who was Professor of Applied Physics and associated with the Materials Department. He was contacted to find people to go to Exxon who were starting up a new corporate research lab. Exxon really had very few chemists and physicists at the time. So I did an interview at Exxon and one at Cornell, and I was offered a job in the Materials Science Department at Cornell, not the Chemistry Department. About a third or a half of the faculty in Materials Science Departments in the US are physicists and chemiusts... they have PhDs in physics or chemistry, not in materials science.

BBV : Incidentally, do you think that physicists have had an impact on your field ?

SW : Oh yes. At Exxon they made me a very nice offer. What they had built up was an interdisciplinary group. It was led by Fred Gamble, who had also come from Stanford. His interest was in superconductivity. And that was the first wave of superconductivity. What we tried to do then was to look at (?) tantalum disulfides. And by intercalating different molecules between the sheets of tantalum disulfide we could change the superconductivity transition temperature. So, tantalum sulfide became superconducting, I think it was at 0.8 degrees Kelvin. By putting in different molecules you could raise it to about 6 Kelvin. It turns out that the one that could raise it the highest was potassium hydroxide. And my first job was to try to understand what was going on. And what I found out was that basically potassium ion structure was particularly stable in TaS2-... It behaved like a salt ... there was again of energy ... (?).

AH : Where was this new Exxon lab placed ?

SW : It was across the street from a refinery in Linden, New Jersey, along with a raft of other chemical and solids research labs. Basic research. And the goal was to be prepared since oil was soon going to run out. My part was energy-related systems, other than petroleum and chemicals.

AH : It was set up in 1972 and you were there from the very beginning ?

SW : It may have been set up in 1971, but basically yes.

BBV : How many people worked with you on this project ?

SW : The group headed by Fred Gamble : there was about six of us. Each one of us had a different background. Fred Gamble himself was something like a physical chemist, there was an organic chemist, some were physicists.

AH : Presumably you had plenty of funding for equipment and the like ?

SW : In those days, if you needed something for your research you asked for it, and it would be there in a week. Money was no issue. They invested in a research laboratory like they invested in drilling oil. You expect one out of five to pay off.

BBV : Was it perceived as a long-term project ?

SW : Yes.

BBV : And what did that mean : 10 years ?

SW : 5-10 years. Industry has changed considerably since then. I would say after about 7 years they began to ask : well, what is going to come out of this ? By that point we had moved from tantalum sulfide, which is really no superconductivity material. We were looking at lighter materials : titanium sulfide. And we were looking at lithium, not potassium, because it turns out that potassium is very dangerous. And some time in this period a Japanese company had come out with a carbon fluoride battery which they used for fish floats. They fish at night and they need to see where their floats are. And that was a primary battery. This was the beginning of interest in lithium batteries.

BBV : So the initial interest came from Japan ?

SW : Well... we thought we could do something better. It was a high-voltage, one-shot, then you throw it away. And Exxon was only interested in rechargeable systems. They were looking to the electrical vehicle.

BBV : From the very beginning ?

SW : As soon as we started. We were only in energy, but we told them that we may have a battery and they immediately jumped to the notion of an electrical vehicle. And they in fact built – well it must have been in the mid-1970s – a 3W and diesel hybrid vehicle running on the roads.

AH : Presumably the Japanese were also interested in the EV at this early stage ?

SW : No, they were not interested at all. In the mid-1970s some Japanese companies started selling calculators with solar systems built in.

AH : In other words, they focused only on smaller batteries than those employed for vehicles ?

SW : Yes. And it is important to make the point that no battery company came up with any inventions. Every invention coming from Japan came not from a battery company. They had a device they wanted to take to the market. Sony, Sanyo. It is a straight busines. They do not stray from where they have been.

BBV : And from where did you get your techniques in intercalation chemistry ? Did you receive training in this already in Oxford ?

SW : Well, the tungsten bronzes are quite similar in this respect sodium, lithium, or hydrogen in and out. There was interest in electrochromic displays in the late 1960s early 1970s and so we were all familiar with them. You have tungsten dioxide and you put in in acid adding a bit of zinc. It generates atomic hydrogen and turns into a solid going from yellow to blue.

BBV : Yes, but when the mixed conductors started, I think there was something of a change in intercalation chemistry.

SW : Yes.

BBV : Was there any feedback from your research at Exxon to intercalation chemistry ? Or was it isolated as a completely industrial research lab ?

SW : No, I think we had a huge impact. At the time Bell Labs were doing similar things. They were located close to us, they were a similar group, also with many individuals from Stanford. We were competing head-on for a while, also in publications. If you look at our publications on the battery, you will see a lot of basic science with no mention of batteries at all. Exxon clearly did not want to disturb their aura (?).

AH : What journals did you publish in ?

SW : Electrochemical Society, Materials Research Bulletin. But the electrochemical stuff came after the basic stuff. So much of the basic stuff went into the MRB which had a very strong reputation in those days.

BBV : So, you have been working on titanium sulfide for many years ?

SW : I started working on that when I joined Exxon in 1972, already in October. As soon as we started work on it we realized that it had very interesting physical properties. So my colleagues like Art Thompson ... (?). After a year we knew about that material than anybody in the world.

AH : May I ask a couple of questions about the early period before we get advance too far chronologically ? Would you please contrast the appearance of the labs at Oxford, Stanford and Exxon ?

SW : Sure. Oxford was an organic chemistry lab. We were in the old wing of the building, built probaly at the beginning of the last century. The walls are three feet thick. There was mercury all over the floor and under the floorboards. It was an antique place. But most of the facilities were there. It was all set up for solid-state work, because the head of the department was a solid-state chemist. We had some of the first NMR ... (?). It was, I would not say state of the art but, pretty good for those days. And what people don't realize is that there was no such thing as an electronic calculator. The computer we used took up a whole Victorian house and it had less power than one of those [pointing to a PC].

AH : What was your working day like ?

SW : If you were running an experiment you stayed there. There was no computer. If you were lucky you had a chart recorder. change temperatures... (?) You built your own equipment, you could not buy it.

BBV : Was the equipment different in Stanford ? Was it a shock ?

SW : Stanford was a new building. The Center for Materials Science had been built just a few years earlier. The building was new, most of the equipment was fairly new, though soime of it was surplus from (?). But the change was more going from a chemistry department to one of materials science. There were no fume hoods in the buildings. It was much more electronically oriented and obviuously the computers at Stanford were then better than those at Oxford. And after maybe a year there, a hand-held calculator costing about $95 came out. ..... (?)

BBV : And that was important for your own field ?

SW : Yes, because we wanted to measure how fast ions move. We made the first measurements over the first 5 or 10 seconds. You can do it with a chart recorder but it is very difficult.

BBV : And at Exxon ? Did you have everything you needed ?

SW : You had everything you wanted within reason. It was a new set-up and wanted to get it going right. Their attitude was that our time was much more expensive than the equipment.

AH : Were there more technicians at Exxon than the other two places ?

SW : No, I would say it was almost the opposite. Oxford had more support staff than any place in the US. We had a huge machine shop, a huge glass-blowing shop. And you had the old business of artisans in what were called shops. They would do new things for you, but they expected you to do anything routine by yourself. If it was complicated, they would do it for you.

AH : And in the US you would buy in ?

SW : Yes, there you tended to buy stuff. There was some support staff but nowhere near the same. These days there is almost no support staff.

AH : But the impact of the computer has generally speaking been more marked in later periods than the one we are talking about now, right ?

SW : Yes, when did the PC arrive ?

AH : I think it was about 1986.

SW : And I was at Exxon from 1972 to 1984. We came up with a battery patent early on. We had an incredibly good patent attorney. They would write up your invention and then ask you : why can't you do it this or that way ? And they came up with ideas for building a battery fully charged or fully discharged. TiS2 patent... (?)

BBV : And did you publish more patents or more articles during your time at Exxon ?

SW : More articles because one of the goals was to get Exxon better known as a research institution so they could hire better scientists. And there was some pride with the president of the company that he wanted to compete against Bell Labs. So he wanted us to be perceived as the labs of the energy business. One of the presidents was E.B. David (?) who subsequently became head of the board of Science Advisors or something like that. He wanted Exxon to be known as the best place in the world.

BBV : So they valued research over patents ?

SW : Both.

BBV : Was not there a tension between the two in the disclosure of results ?

SW : Yes. The publications did not mention batteries at all. So we made materials and we described how we made them. We then discussed their scientific behaviour, how they reacted with water, their thermodynamics. But anyone smart enough would know what we were doing. They soon caught on. And I think about 1975 or 1976 when the first patent started coming out we released the first paper in Science Magazine. And about the same time we also published ... (?). Because up to that time people in the battery business did not know what intercalation was. ...

BBV : Did you attend the Belgirate, Italy, meeting in 1973 that purportedly is the founding event of the community ?

SW : Yes, I gave two papers both of which went very well. And the other thing I remember is that Carl Wagner attended that meeting. He was very old. He basically put the field of corrosion on a scientific basis. He ought to have received a Nobel Prize.

BBV : Were there more Europeans there ?

SW : It was organized by Europeans, and I think there were more Europeans. And I remember that I was there with my wife and two young children. We bailed out half a day early because they said it was going to snow in the Alps, in order to go back to England.

AH : Were there any Japanese present ?

SW : Yes, I think there were a few.

AH : So you agree with the interpretation that this was a founding meeting ?

SW : Yes.

AH : One might also point to the beginning of the journal Solid State Ionics (1980) as the origin of a community ?

SW : Yes, but by that stage we were already having annual meetings.

BBV : Did the journal make any difference ?

SW : Do you want a bit of history of the journal ? The North Holland folks then had an office in the US. I lived in New Jersey two miles away from the publishing editor. They published the Belgirate proceedings. And this editor said : we need a journal in this field. I was one of those who said : no we don't.

AH : Why did you think that ?

SW : I thought there were too many journals already, even at that time. There were few compared with today of course, but even so. So he said, you prove that to us and we will pay you to do it. So Hans Becker (?) and I sent out a mail to everyone in the community, saying North Holland was going to start this journal and was there any interest ? I fully expected to get negative feedback hbut 95% wanted it. So North Holland played every nice game and we could not say no.

AH : Did the journal then not change anything much ?

SW : Yes, the journal changed a great deal because it pulled all the papers together in one place. Remember in those days there were no journals such as Chemistry and Materials. Solid-state chemistry had just started and that was more high-temperature. And there was the Materials Research Bulletin. So papers were all over the place. So they convinced us to go with it. I had my arm twisted to edit it. Within one year we went from single-column to double-column format and larger-size paper. It basically took off straightaway.

BBV : The whole community decided to publish in this journal instead of in the others you mentioned ?

SW : Yes. They kept publishing in other journals also, but they knew that here they would have their stuff recognized .

BBV : Was it a fast publication ?

SW : Five months. The goal was to get it out quickly. In those days the Materials Research Bulletin got things out in two months.

BBV : Let us come back to your career. Why did you leave Exxon in 1984 ?

SW : Exxon had one good thing about them. It was run by scientists and engineers, not by lawyers or MBAs. I will give you an example. When we had come up with the battery, the board of directors came to the lab to listen to us. And they then said here is the money, now go and do it. So they built an applied film group costing millions of dollars, a very good one. It was like a poker game : well we make a big dollar or we loose it. Their philosophy was that if you were a good scientist then you would also be a good director. So within a few years I became a lab director. I am not sure exactly when but at some stage they said : now you have shown that you can manage something you know, so we will now send you off to manage something you do not understand. That is why I went to an engineering facility, where I headed their chemical engineering. I was responsible for technology, for synthetic fuels in those days, chemical plants, raffineries. It sounded challenging at the time and I stayed there four years. At that time began the shale oil and coal gasification (?). It was a booming period. My job was to employ as many chemical engineers as I could lay my hands on. But soon the writing was on the wall and the slump was coming. We started laying off people. We went from roary-rosy days to (?). And I was doing no science myself then. I missed that and that is why I went to Schlumberger. My first boss at Exxon went to the Metallurgical division there.

BBV : What kind of research did you do there ?

AH : It was 1984-1988.

SW : Right. Schlumberger was in Richfield, CT, the lab was built and designed by a famous architect called Johnson, from Texas. One or two stories, glass, a very pretty building. You could not have your names on the doors or pictures on the walls unless they'd approve them. Schlumberger was then the Rolls-Royce of the oil field. They built very expensive analytical equipment which they put down oil wells to determine whether there was in fact any oil down there, what the rock foundations were like. They would put these probes worth millions of dollars down the well, pull them up very slowly and you would get wiggles and charts and things like that. And if they could reproduce the wiggles they would sell it. It was a very low-key company. In those days they probably made more money than all but two or three of the biggest oil companies. What they did not have was chemists, those who tried to understand what these measurements actually meant. They did have a large number of physicists and electrical engineers building the instruments. Then they decided to build up a basic rock science group, the job of which was to try to understand what was measured. And I went as head of the group, to bild up the chemistry activity with the engineers. One of the biggest electrolytes in the world is clay. It is clay in the formations that causes various forces to be formed in the earth and you can measure them.

AH : So you were not really moving to something completely new. This is the link to your previous field.

SW : Yes, but I had been doing management. At Schlumberger I was dealing with chemical engineers. But as my wife said, I was doing far too much travel. Schlumberger had labs in Texas, Connecticutt, Tokyo, Paris, and Cambridge, England. During my first year I was in the US maybe half of the time.

BBV : Is that why you stayed only four years there ?

SW : When I went there it was a booming organization run by a Frenchman (Ludeau ?). A whole book has been written about him. He died, and his chosen successor failed. There was a palace revolution. And a Scotsman was in charge, Ewan Baird (?), I think he is still in charge. At that point they were building a new chemistry facility in Richfield. They had put the foundations in, and he came in one day and said, no. Construction stopped. He ordered people back to basics. Schlumberger also had some TV stations back in France. They invested in other things. It was as if they only wanted to have Nobel Prize scientists : only the best was good enough. They did hire some outstandingly strong theoretical physicists. We looked at how oil flows through sandstone in rocks. Sprinkering (?) techniques ..very similar to how snowflakes build up on the window. Some people there did not like it : why are you doing this ? There was a reaction against basic science and people wanted to get back to building and improving equipment.

AH : Was the basic stuff modelling ?

SW : Yes, there was a strong modelling component and a measurement component. At that time we had about 30 people in this basic science group. We were told basically that we could become engineers or leave. We were given about 18 months. They were very generous. Some of the best people were in their 20s. Three of them were offered tenured professorships within a month.

AH : This is also the period of change from the mainframe to the PC.

SW : Yes, and Schlumberger was big on that. They had a Cray computer and Macintoshes. The theorists wrote their programs on the Macs and ran them on the Cray. Schlumberger also had e-mail, around the world. We were in touch with the Japanese and the French. That was really the first time that I used e-mail. They were well ahead.

AH : This must have been towards the end of your time there ?

SW : They had it from the beginning. Remember, they were well versed in how to get electronic information.

BBV : Did you go straight from Schlumberger to SUNY Binghamton ?

SW : Yes. At that time I decided that US industrial research activites had started on a down hill. Exxon had cut back on their basic research by about 50%. Seven years earlier they had doubled basically overnight. Then they had said : what would you do if we gave you twice as much money ? Give us a plan by Monday (that was on Friday). In my recollection we worked all that weekend. Within a week we had the doubled size.

AH : How would you account for the change in atmosphere, for the downturn in the mid-1980s ?

SW : A number of things : 1) oil prices had been going up but then they dropped ; 2) MBAs started getting into the business (short-termism ; now the stock price is more important than everything else) and then they looked hard at basic research. With regard to Exxon : it is a mammooth company. The corporate labs were under $50 million. When they doubled it, it got above $50 million. They rounded everything off into hundreds of millions. Anything under $50 million just did not appear in the balance sheet. 3) When the oil price went down there was no longer a sense of crisis. So you do not need any longer to investigate all the alternative forms of energy. Exxon had gone into solar, batteries, computers, a chip company. But Exxon did not really have the management expertise. At about that time Exxon sold all their battery technologies. They licensed them to a Japanese company, one American and one European. I think it was Sony in Japan. Exxon said : you mean you can not make $100 million a year on this ?

AH : It would seem that the price of oil is a really good indicator of the field of solid-state ionics ?

SW : Yes. When Exxon got out, the whole field got out. The federal government cut funding, thinking that if Exxon was not interested, then why should we be.

BBV : So how did the field continue ? Where did the incentive come from ?

SW : Europe was continuing. The Japanese had our technology. There were a few problems with it. They wanted a safe anode ; they could not use pure lithium. ... (?) John Goodenough came up with cobalt oxide. That is almost double the voltage. Sony combined that with an interpolation compound of graphite as the anode ; and came out with what is called (?). The Japanese now have some 90% of the market for all lithium rechargeables. Sony has the primary licence making sublicenses. I think the patent is running out any day now. A number of companies toyed with getting into the business. Eveready two years ago started a plant and found that they could buy the batteries cheaper in Japan than they could build them themselves. The Japanese just have such a long lead time.

AH : Your personal choice of going back to academia. There was no future in industry you said...

SW : There was no future in industry and I wanted to do my own thing. In the mid-1970s 9 out of 10 solid state chemists were in industry. About that time chemistry departments in this country suddenly realized that this is a field. We want these people. Now, 9 out of 10 are back in academia.

AH : What impact did the return of solid state chemists to academia have upon the field ?

SW : In 1987 superconductivity happened. All solid state chemist jumped on board. The result was this symposium. Meeting in New Orleans. The largest room in New Orleans was not big enough.... [too much noise]

BBV : The field suffered from the cold fusion affair ?

SW : Yes and no.... [too much noise] few people got involved in cold fusion

AH : Characterization ?

SW : Computerization has accelerated the getting of measurement results.

Most of these batteries have maybe one or two years. They last as long as the product itself. As far as environmental concerns : they are pretty darn good. [noise]

AH : Hybrid vehicles ?

SW : They are there. The Japanese have them. All that is needed is the political will to factor in the environmental advantages.

BBV : Oxide markets ?

SW : Electrochromic displays.

AH : Optimism when you started ?

SW : Optimism fuelled by end of oil. Now the end of oil is not in sight. But batteries are needed in the small electronic devices. The EV is not everything.

AH : Whom should we talk to : Frank, John Goodenough, Michel Armand.

BBV : Hagenmuller ? Steele ?

SW : Steele is still active.

AH : Fuel cell relevance ?

SW : Fuel cells are much more active in Europe than in the US.

AH : For political reasons ?

SW : No, .. [noise]

Fin de l'enregistrement

Pour citer l'entretien :

« Entretien avec Michael Stanley Whittingham », par Bernadette Bensaude-Vincent et Arne Hessenbruch, 30 octobre 2000 Sciences : histoire orale, https://sho.spip.espci.fr/spip.php?article132.

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Entretien avec Michael Stanley Wittingham, par Bernadette Bensaude-Vincent et Arne Hessenbruch, 30 octobre 2000

Lieu : SUNY Binghamton

Support : enregistrement sur cassette

Transcription : Bernadette Bensaude-Vincent et Arne Hessenbruch

Edition en ligne : Sophie Jourdin

SCHWEBER Silvan Sam, 2001-08-27

Sophie Jourdin — 2011-11-10T14:32:16Z

Silvan Sam Schweber

ARNE HESSENBRUCH (AH) : Would you tell me what kind of physicist you were, please ? In order to illuminate your perspective on the history of materials science and engineering.

SAM SCHWEBER (SS) : Let me say a little about my background. I started my studies at City College of New York in 1944 as a chemical engineer. I migrated to chemistry, and in my last year at City College I took various courses in the physics department, one in particular with Mark Zemansky. It became clear that I had greater interest in physics than in chemistry, so I went off to the University of Pennsylvania in '47 to become a physicist. The kinds of courses that people took in those days were atomic physics, a required course offered by Harnwell, who later became the president of the University of Pennsylvania. He had written a book giving an overview of atomic physics. I had a course on quantum mechanics with Ufford, and also one on electricity and magnetism. Walter Elsasser was there, and I did a course on statistical mechanics with him. The person I got closest to was a man by the name of Herbert Jehle, who had an interesting background. He was originally German, a Quaker, who was trained by Schrödinger and obtained his PhD in the early ‘30s in Berlin. He knew Einstein very well and was very much interested in general relativity. Under his aegis I got interested in general relativity, I actually wrote a Master's Thesis on variational principles in general relativity. He suggested that I transfer to Princeton, which I did in '49. To complete the story of Jehle : being a Quaker, he got into trouble with Nazi Germany during the 1930s, and left Germany in 1938 to go to France. When the war broke out in 1939, he was promptly interned in Gurs as a German citizen. Eventually the Society of Friends got him out of the concentration camp in France and brought him to the United States, where he taught during the war at Harvard, and then moved to the University of Pennsylvania. He did lots of interesting things. He knew many people at the Institute of Advanced Study at Princeton, Einstein, Weyl, and many of the younger people in physics there, in particular Finkelstein and Wouthuyzen. . He also worked with Pauling on molecular mechanisms of identification in biology. He was an interesting and impressive man. I came to Princeton in September 49, right after the detonation of Joe 1, the first Soviet atomic bomb, at the height of the intensification of the Cold War and in the midst of debates over the hydrogen bomb. John Archibald Wheeler had disappeared and gone off to make hydrogen bombs, first at Los Alamos and later back in Princeton at what became the Forrestal Center. Eugene Wigner, whose research assistant I became, was there, as was David Bohm. The general tone was set by Wigner, who was really very much a phenomenological physicist. He was skeptical about making ultimate and general claims. During the war he had been very much involved in building piles, working with Fermi at the Chicago Met Lab. Actually, for a year before coming back to Princeton, he had been the head of Oak Ridge, trying to get people interested in nuclear power. When he came back to Princeton in '49, after the advances in quantum field theory by Schwinger and Feynman, he did not get involved in these things. The kinds of topics he encouraged were illustrated by the theses his students wrote. There was a somewhat older student than I, Ed Jaynes, who had written a thesis on ferroelectricity. Another of his students, Ted Teichmann did a dissertation extending Wigner's R-matrix theory, a generalized S-matrix approach to nuclear reactions. Probably the person at Princeton who influenced me most was David Bohm, whose Advanced Quantum Mechanics course I took during my first year at Princeton. He had just finished writing his Quantum Mechanics textbook. He taught a very beautiful course which took into account the recent advances in quantum electrodynamics. He was very interested in many-body theory at the time. He had had Eugene Gross as a PhD student the year before who had done a thesis on plasma physics. David Bohm had worked on the description of plasmas at the Berkeley RadLab during the War. He had come back knowing a great deal about plasmas. The question addressed was whether you could apply the insights of plasma physics to the description of the valence electron gas within a solid. Eugene Gross worked on the classical theory of plasmas. Another person who was finishing at the time was David Pines. He did the quantum mechanical formulation of plasma theory that eventually became the Bohm-Pines description of electrons in metals, a subject that Wigner was very much interested in, because back in the early 1930s he was one of the founders of solid-state physics with Seitz. Wigner had worked very hard on the treatment of electron correlations. The question was whether the plasma approach could give a simpler way of describing electron correlations — that is, whether a collective way of describing electrons in a metal was a more effective way of describing them than the quasi-single particle approach Wigner had used in the 1930s.

At Princeton physics and mathematics were rather close (Wigner was a professor in both departments). I became attracted to working with Arthur Wightman who was a young assistant professor at the time. This was particularly the case after David Bohm was not reappointed, and I started a thesis in (semi-)axiomatic quantum field theory with Arthur Wightman. Let me say something about the kind of training I received as a graduate student. Princeton was a little special in the following sense. The classes were small, as about 10-12 graduate students were admitted each year. The message conveyed to us was : "we invited you and think highly of you, and we want to give you every opportunity to realize your potentialities". There were no formal course requirements of any kind. Instead, there was a hurdle consisting of a very intense three-day written general examination which covered all of physics : classical mechanics, electricity and magnetism, optics, quantum mechanics, thermodynamics and statistical mechanics, special and general relativity. After that, there were two-three hours of oral examinations overseen by groups of faculty members. The onus was really on us to get acquainted with everything in physics. I had taken statistical mechanics with Wigner, and as mentioned earlier advanced quantum mechanics with David Bohm. I also took various courses in the Math Department - with Spencer, Schiffer and Feller, but in the absence of actual course requirements I just took what I considered useful. There was also the Institute ; after 1947 Oppenheimer was its head. There were joint theoretical seminars every Wednesday, and every theorist at the university would go out to the Institute. During the period I was in Princeton, from 1949 till 1952, most of the presentations were at the frontiers of quantum field theory. During the 50s the Institute was the finishing school for young theorists and all the bright young people trained in the US and overseas would come there. I remember people like Van Hove, Frank Yang, Bryce deWitt, Feldman, Karplus. During my second year at Princeton Murray Gell-Mann and Francis Low were there. I finished my thesis in the spring of 1952 and after I got my degree, I went up to Cornell in the fall of 1952. The atmosphere at Cornell was very different from that at Princeton. Freeman Dyson was there in 1952-53, and of course Hans Bethe. They were in the Laboratory of Nuclear Studies, which housed that segment of the department involved in high-energy physics. The Nuclear Lab had a separate building. There had been earlier tensions between solid state and nuclear/high-energy physicists that had resulted in a rift in the department. What was characteristic of my 1952-54 experience at Cornell was the intimate relationship between theory and experiment, something I had not felt at Princeton. I don't mean to say that there was no active experimental work going on at Princeton. Dicke was there doing positronium experiments and various other things, in retrospect it seems to me that there were no fora for interaction in the way that existed at Cornell. As a post-doc at Cornell I attended a solid-state class with Overhauser, a young instructor at the time as well as lectures by Bethe on advanced quantum mechanics. Cornell gave me a different vision of what physics is about. One came to realize that high-energy physics was different from solid-state physics - both in approach and in status. It had been a little like that already before the war, then in terms of nuclear and solid-state physics, but this bifurcation became intensified after the war. The differentiation also manifested itself in the requirements on graduate students. What it took to become an experimental or a theoretical physicist differed at Cornell and at Princeton in one respect : during their first two years every graduate student at Cornell took the same classes : mechanics, electricity, magnetism, quantum mechanics, solid-state physics, nuclear physics, experimental physics. Experimental physics, a year-course, was required of every graduate student. Cornell also had a set of examinations, but these were less intense than Princeton's. At Cornell, just as at Princeton, one was expected to know most of physics. The specialization was limited. Solid-state and high-energy physicists were all still members of the same department, and the curriculum required of all graduate students encompassed all of physics.

In 1954 I went as a research associate to Carnegie Tech in Pittsburgh. The atmosphere there was similar to the one at Cornell. There were some very good people there (the senior theorist was Gian Carlo Wick ; also in the department were Walter Kohn who had migrated from doing quantum field theory with Schwinger to doing many-body solid-state physics , and Julius Ashkin who had switched from being a theoretical physicist and became in charge of the Carnegie Tech cyclotron). I had to leave Pittsburgh after one semester and go back to New York, because my wife had fallen ill. I never returned to Carnegie Tech but accepted in the spring of 1955 a job at the recently established Brandeis - its first class had graduated in 1952. At that time Brandeis was essentially an undergraduate college, but it had a commitment to build a graduate school. In 1957 a graduate program in physics was started. The emphasis was initially heavily on theory because it is cheaper to hire and maintain theorists than experimentalists. In 1958 we started a summer school in theoretical physics that became well known and helped put Brandeis on the map. It was quite useful and ran through the late '60s. Partly by virtue of the emphasis on theory, the people we hired were predominantly engaged in field theory and general relativity. In 1957 Eugene Gross, who had been a student of David Bohm's, arrived, doing many-body physics. By 1960-61 it was recognized that we should have an in-house experimentalist program and experimentalists doing solid-state physics (Steve Berko) and atomic beams (Edgar Lipworth) were hired. The examinations to be admitted to candidacy for a PhD in physics at Brandeis were no different from the ones given at MIT or anywhere else in the country. Graduate students were expected to know what mesons and their properties were, even if they were to continue in solid-state physics. The training of graduate students was such that they did not have to make a decision whether they wanted to become experimentalists or theorists, and in what field, until the end of their second year of graduate studies. That continued until the mid-1960s. Entering graduate students mostly would want to become theorists, but if the faculty felt they were not quite strong enough, they would become experimentalists. It is certainly the case that by the early 1960s, one had a sense of sub- disciplines existing, that is that solid-state physics was a different branch from the rest of physics ; and that the same was true for high-energy physics. There were some overlap and mutual interests, for example in atomic physics where precision measurements involved quantum electrodynamics. Brandeis became well known in the late 1960s for doing experiments that determined the Lamb shift in positronium — Berko, Cantor and Mills did that experiment. Positron sources for the exploration of properties of the solid state is what Brandeis became famous for in experimental physics, and that was mostly due to Steve Berko. He had done positron physics before coming to Brandeis and really put positrons on the map as probes in solid-state physics. Until the 1970s support for all the research activities in the department came from two or three places : initially it was mostly the Office of Naval Research, then the National Science Foundation, and then the Air Force. There were no strings attached. You submitted an application and it was looked upon on its merits. The intent of the ONR and the Air Force was to have people trained, to have a pool of scientists available to meet national security needs and national educational and economic interests.

During the 1960s the size of the physics faculty kept on increasing, as did the number of students, and as did the funding by the national agencies. From the mid-'50s on, computers were housed in the physics department and computer science was taught by the department. Max Chretien, who had been a high-energy physicist, had slowly gravitated more and more toward what we now call computer science. By the late 50s, early 60s, the physics department offered several courses in software and in hardware. Computing activities took up an ever-greater role, partly because the high-energy people required it. But it was also simply a way for the department to grow.

By the early 1960s, we started having discussions at senior faculty meetings whether or not to hire a solid-state physicist rather then the brightest and ablest theorist. The demand of sub-disciplines had become assertive. That is the way the department is now run. There are sub-groups, semi-autonomous, quasi-departments. Discussions in the early 1960s still had a common background in questions such as : "what is physics really about ?" We had metaphysical discussions about what counted as more fundamental. By the late 70s and the early 80s, this kind of question had disappeared. It was now about where support can come from. This determined in part who would be hired. Another crucial questions became : "Where would graduate students be able to find employment, and what kind of training should they obtain keeping that in mind ?" It also became clear in the post-Vietnam 70s that only the very best theorists would find employment. And there was then a gradual shift of the balance of the department towards the experimental side and more students interested in experimental physics were admitted. Robert Meyer, an experimentalist who studies liquid crystals, came to Brandeis and started a program in that field. Gradually his group has become fairly large and one of his best graduate students has joined the faculty. Interest in using viral particles to test phase transitions and that sort of thing has become a part of the experimental activities of the department. There is also at Brandeis a research institute in biochemistry, molecular biology and biophysics called the Rosenstiel Center, that functions by having its research staff placed in various departments. Alfred Redfield, an outstanding experimentalist working in NMR, was appointed to both the physics and biochemistry departments. Over the last 15 years the focus of experimental physics has shifted toward biophysics, partly reflecting the fact that the greatest amount of support will be forthcoming in that area, and that graduate students obtaining PhDs in this area can go in many directions thereafter. The newest additions to the department in theory have been condensed matter physicists. There is a woman by the name of Bulbul Chakaborty who is a condensed-matter physicist, doing computational physics. I would say that she is now the leading theorist in the department doing that sort of thing. Two years ago we hired a young condensed-matter physicist by the name of Jane Kondev who has made a big difference. These are people well grounded in modern condensed-matter theoretical physics, and their interests are much wider than those of the high-energy physicists. They have the feeling that theirs is the way of the future ; that young physicists ought to be trained in this field when considering their employment upon graduation. What causes tension within the department is the fact even though there are on the faculty several outstanding high-energy theorists - people like Stanley Deser, Marc Grisaru, Howard Schnitzer - it has nonetheless become more and more difficult over the last 15 years to attract good graduate students. The very best go to Harvard, CalTech or such places. In a nutshell, that is what has happened in the Brandeis physics department. There has been a rethinking on what physics is about and what the mission of the physics department is.

AH : Is it a question of status ?

SS : Also.

AH : The way you described it was in terms of numbers of students. But are you also saying that solid-state physics used to be low status and that this has changed ?

SS : Yes, there is no question about that. I think that Brandeis, a secular university but founded, established and supported primarily by the Jewish community, felt that it had a certain mission. Clearly the conception of the university was such that "pure" contributions had a higher priority than applied ones, and in the sciences this meant theoretical physics and mathematics. Furthermore, as I said it is much cheaper to do theory and by virtue of the initial economic context at Brandeis, it was much easier to hire theorists rather than experimentalists. The initial bias was towards theoretical physics, and since until the mid-1970s high-energy physics was considered more "fundamental" than solid-state physics or what later became condensed-matter physics the theorists were either general relativists or field theorists. It was within the physics community at large that the question of status got rectified. It has to do with what solid state physicists did in superconductivity - using field theoretical techniques, and in particular recognizing the role and meaning of spontaneously broken symmetries in the description of the dynamics of such systems — that similar ideas were developed and then grafted onto quantum field theory in general, and a rethinking of the status of condensed matter took place. Phil Anderson was very influential in this both by virtue of his technical contributions, and because of his article in Science "More is different." There were great theoretical advances in the late 60s and early 70s, in particular, the re-adoption of quantum field theory as the seminal representation of microscopic phenomena, because gauge theories conjoined with the Higgs mechanism for symmetry breaking seemed to be the right way to describe both the strong and the electroweak interactions. This after 't Hooft showed that one can renormalize gauge theories even if they have broken symmetries This led to what is now called the standard model. But ironically what happened at the same time was a recognition that what had been thought of as renormalization is really something very different, namely, an effective way of putting all the high-energy effects into certain observable parameters at low energy. For the most part you will not see anything of the effects of the high-energy processes beyond the cut-off energy you have introduced to make the theory free of divergences. It implied that even though renormalizable theories still had a special status, renormalization qua renormalization was not quite so important. More fundamentally, it implied that most theories that we know of, be they quantum electrodynamics, electroweak theory, or quantum chromodynamics, are only effective theories. They have a limited range of validity, the range being essentially the masses of the particles, which you need to introduce into the theory in order to explain the data, and which therefore reflect the context (the available energies) in which you are doing physics. People began to recognize that to some extent the theories that condensed-matter physicists used to describe superconductivity, liquid helium, or some such system, was as foundational for its domain of validity as the standard model was for the 0-200GeV range of subnuclear entities - the quarks, gluons and leptons.

AH : But that is an argument that will not be accepted by an older generation of physicists. I mean, this is the kind of thing that Paul Forman argues against, right ?

SS : Well, I would put it differently - and it is not meant pejoratively. Most physicists have become like chemists, in that they are exploring novelty in the world. They are creating new things, or new systems with new properties. And the power of the theory is such that they can actually pinpoint the elements that will give you the kind of qualities or properties that you want. There is still a subset of condensed-matter physicists who see their job as testing foundational issues - for example, "Under what circumstances is describing certain processes as a Bose-Einstein condensation appropriate ? How does this depend on the number of particles involved ?" - However, the foundational theories involved are not questioned. Since the 1970s more and more condensed-matter physicists think that conceiving of nuclei in terms of quarks is irrelevant. An atomic physicist doing experiments that determine the Lamb shift in various atomic states to some amazing accuracy, measurements that indicate structure at a smaller scale, does nothing of great consequence for chemistry, for most phenomena in chemistry do not depend on effects to that order of precision.

There is a further observation. Since the late 1970s the impact of computers has been very great. It is a striking fact about both experimental and theoretical physics that much computer modeling takes place. People are now trained quite narrowly in modeling on the computer, so that computational physics has become a third branch of physics. There are so few things that one can do analytically by virtue of non-linearity that one has to do it on the computer. The results are really quite impressive. The rise of the role in the training of students in computer modeling is really very striking.

AH : Does that have a bearing on the solid-state vs. high-energy physics issue ?

SS : In theoretical high-energy, the impact of computers has been on how to deal with the complexity of perturbative calculations when you start to have 2 to 3 hundred diagrams to evaluate. You have programs where you draw the relevant Feynman diagram and the computer will grind out the finite radiative corrections at given energies or whatever else you are calculating. When you are concerned with real experiments and you have to compute radiative corrections and cross-sections, you people rely very much on computers, the calculations having become so complex. The use of computers among string theorists is much more having access to the web so that you can download the latest pre-prints available from Los Alamos. They log in every morning to learn what new preprint is available. From a sociological point of view the web - and the Los Alamos archive - has democratized high-energy theory : a researcher in Pakistan or Ghana has the information as readily available as the one at SLAC. Also there is a general recognition that physicists need to know a great deal about computing, if only because at the end of their graduate studies they could land a job on Wall Street if they are adept and innovative in modeling on the computer. I think you are right in saying that the older generation still feels that high-energy and elementary particle physics is more "fundamental" than condensed matter physics. I think it is quite painful for my colleagues in high energy theory at Brandeis to consider the possibility that once they retire the university will likely not replace them with someone in their field. They have invested their lives in this field. In high-energy physics and cosmology, where practitioners - still - set their own internal agendas, work gives meaning to lives in a way that is - probably - not the case in condensed-matter physics. For a condensed-matter physicist, solving a difficult and important problem is an impressive thing, and brings about many rewards both personal and communal, including the possibility of a Nobel Prize. The same is true for the high-energy physicists but in addition there is the feeling of being some kind of secular priest, for they believe that they are reading and writing the book of Nature, and formulating something ultimate about the world.

AH : That is certainly the way I perceived it as an undergraduate of physics in Freiburg, Germany, starting in 1978. Pure physics was supposed to be independent of the demands of society. It had nothing to do with the demands, say, of the nuclear industry or the military. That seemed to be the credo, whether it was correct or not. Solid-state physics was very small, and it was openly commercial. The solid-state physics institute actually paid students a salary to write their theses. It attracted some students but it repelled even more. Does that ring a bell ?

SS : In the US, the autonomy of physics departments was greater. There was a system of governmental funding until the end of the Cold War. One did not have to go to industry to get support for your students. In chemistry, funding for research and for students has always come in part from industry. In that field, a faculty member, as the principal investigator, would get a grant or a contract from a particular chemical or pharmaceutical company to carry out specified investigations of great value to that company and in this way obtain the funds to carry out the research and support his postdoctoral fellows and graduate students. In physics, it would not be unheard of during the 60s and 70s for a graduate student to go to Lincoln Lab or Oak Ridge to do his PhD thesis there, but it would have been very unusual to obtain a PhD for work done in an industrial setting.

As an answer to your question : The older generation of physicists might deplore the fact that string theorists lack knowledge of general physics, because their field of activity is so close to mathematics. It is not that they look down upon it, but it is felt that as long as string theory is without empirical relevance it is not really physics. Since the 1980s there has been a great deal of exchange of techniques and knowledge between quantum field theorists and condensed-matter physicists, partly because experimental techniques have become so good that one can devise one-dimensional and two-dimensional systems. The exploration of two-dimensional field theories is thus of great interest to both sets of practitioners. They exchange insights about conformal field theories. But both are concerned with the constraints and relevance of experimental data. String theory thus far has little to say about experimental findings.

AH : Do young people who enter into high-energy physics nowadays also have these - shall we call it lofty aspirations ?

SS : I really don't know. There is some split. One type are the theorists who try to figure out what it means if the experimentally measured value of the m meson anomalous magnetic moment no longer agrees with the standard model calculations. Does it imply super-symmetry ? String theorists are not likely going to do that. They count states in black holes, so the division is more where you stand in relation to actual experiments.

AH : I don't understand the historical development of solid-state into condensed-matter physics. Could you explain that ?

SS : Solid-state physics was principally concerned with solids, primarily metals and semi-conductors. Gradually it became clear, partly due to field-theoretical methods, that what you learn about Fermi systems is equally applicable to electrons in solids and gases and liquids composed of He3 at low temperature.

AH : So it was an expansion ? When did this take place ?

SS : In the late 1950s and early 1960s. This is when field theoretic methods became powerful tools in the treatment of many body systems. This was also the time when Bardeen, Cooper and Schrieffer solved the superconductivity problem and when experiments on He3 were being done. You ought to ask Paul Martin or Henry Ehrenreich about this. There was a period in the middle 1950s to early 1970s when these field theoretical methods become standard components of the solid state physicist's toolkit. And since the field theoretic Green's function methods used allowed the consideration of the properties of the system as a function of temperature, phase transitions became an essential part of the field. Thus all phases - liquid, gases, solids - became the concern of the field.

Interestingly, there is a parallel development in nuclear physics. After the establishment of the Standard Model, nuclear physicists recognized that they had fallen upon hard times trying to understand nuclei in terms of nucleons, that the challenge was to understand how to go from quarks and gluons to mesons and nucleons. The field theoretical methods were used to understand the properties of nuclear matters, and diffused to such esoteric topics as neutron stars, and the collapse of supernovae. Incidentally, the development in that field in the United States can only be understood if it is remembered that the physicists who became high -energy physicists had been at Los Alamos during World War II and the most distinguished of them populated PSAC (the President's Scientific Advisory Committee) and setting the priorities for governmental support of the various fields of science. This began to change already in the late 1960s.

AH : Already ?

SS : Look at PSAC : In the 1960s there were almost no chemists on it. The support of science before and after Vietnam was different for many reasons. First of all there was the 1969 amendment of senator Mansfield about funding by the department of defense. Vietnam also marks end of the expansion of physics. The number of annual PhDs in the field began to decline.

AH : Where did Materials Science and Engineering enter into your world ? I imagine that when the interdisciplinary laboratory came into being at MIT in 1960, you must have noticed it. Did it look like physics to you ?

SS : We noticed it. The experimental approach resembled work in physics departments. But it was also like chemistry. My colleague and friend, Eugene Gross, had an interest in the statistical mechanics of polymers. I heard from him about polymers and polymerization. I went to the chemistry department colloquia. In particular, I remember a lecture in the mid-1970s by a polymer chemist from PennState in which he talked about designing polymers with specific electric and optical properties. The use of quantum mechanics to understand not elementary but complex systems and to make it the basis of a "molecular engineering" intrigued me. Later I discovered that Slater had such a vision already in the late 1920s after the advent of quantum mechanics.

In 1973 we had another crisis because of the Arab-Israeli war and the oil crisis. This led to extensive investigations of solar cells - Henry Ehrenreich was head of the committee that was in charge of these activities. He went around to various departments asking what kind of materials are required to obtain such and such an efficiency. By that time materials science conceived in this "applied" way was recognized as a valid field of inquiry.

AH : So it became known to you as a problem, but not as a discipline ?

SS : Right. We did not see these activities as belonging in a department called Materials Science. No, I associated it more with polymer chemistry and with semiconductor physics. I think it came into greater prominence through these solar cells investigations, in these designs for capturing solar power.

AH : We are talking about the mid-1970s now ?

SS : Yes.

AH : And Brandeis does not have a Materials Science department, but much work done there could now well be done in a department with that name.

SS : Correct. Let me put it this way : I have some interest in the limits of computation. How far can you reconstruct the world if I tell you the foundational theory and the entities make it up ? Where does computational complexity put a stop to your efforts ? Every once in a while I go to Harvard to listen to material scientists talking about the design of materials by modeling on computers. What is striking to me is how uncritically they accept the foundational theory as formulated in their computer codes. They just model.

AH : Complexity is in a way also pure vs. applied. If you have the true foundational theory, then in principle you can calculate everything from it.

SS : Yes, until you are stopped by the complexity of the calculation.

AH : Right, and my point is that thinking about the world in this way is tantamount to accepting the notions of pure and applied science.

SS : To overcome the computational complexity you have to cleverly make assumptions simplifying the calculation. Organic chemists designing complicated biological molecules make up little models with hook-like forces and it works very well. The challenge to the theorist is how to justify such assumptions.

AH : I am trying to fit what you have told me to the demise of the pure vs. applied model. For instance in materials science, many people will tell you that the notions are outdated or that they are simultaneously doing both.

SS : I would argue that quantum mechanics differs from everything else in that it gives a highly accurate and stable foundational theory on the atomic level that can't be tampered with. Heisenberg called it a closed theory. You also know the basic entities populating that realm, i.e. electrons and nuclei. There is a confluence of theory and ontologies. In electroweak theory you can compute the anomalous magnetic moment of the electron to an unheard precision : of one part in 10 to the 10th. You never need that accuracy in materials science and what I am trying to say is that the foundational theory is secure. That is the reason that pure and applied no longer exists. Nobody doubts the accuracy, veracity, efficacy, and efficiency of the foundational theory. There is nothing these people do that probes the foundational theory.

AH : I imagine that an imaginary particle physicist in the 1950s would have said that one ought to find the foundational theory beyond quantum mechanics.

SS : Even though people really felt that the Schrödinger description of atoms is a limiting version of the more foundational theory, you did not have the means to show this. The 1960s provided the means to show that with the re-conceptualized notions of what renormalization means. Not that it is easy, but the foundational theory has been secured. More than that : any foundational theory beyond quantum mechanics must recover all the successes of the standard model : for example, the ability to account for the Lamb shift in hydrogen to the known accuracy, to account for the magnetic moment of the leptons to the known accuracy,...

AH : It seems to me that the meaning of pure has shifted. When materials scientists tell me that they do pure and applied at the same time, they refer to calculating local densities of states and energy levels of an atom moving in a groove of a surface or some such thing as pure. But from the perspective of the old high-energy physicist that is not pure.

SS : Okay. I would phrase it differently : I would call it pure if the intellectual agenda is set by the practitioners without external considerations. Of course, with this definition of purity even high-energy physics - even though the practitioners set their own intellectual agenda - is not pure because it is supported by the government, etc. The same is true for people investigating the onset of turbulence. Clearly there are industrial applications, but that community also sets its own agenda and rewards research very much as high-energy does. It is a question of autonomy. Purity simply reflects the state of autonomy.

AH : So the shift in the meaning over time is interesting.

SS : It is difficult to phrase this - I can make it ad hominem. Your activity as an historian of science gives meaning to your life. You are trying to find out something ; it is personal and there is an intellectual commitment going beyond earning a living. I am not sure that a person at DuPont trying to figure out a better plastic gives much meaning beyond that of monetary reward and job security. There is of course the personal gratification if the challenge is met and the problem solved - and something useful is created - but I believe that success does not answer the quasi-metaphysical questions. So purity has something to do with going beyond what pertains to the economic and sociological sphere. I don't know how to make it sharper than that. Something about extradisciplinary rewards.

AH : The importance of which has declined ?

SS : In every field. Not just physics or history of science.

Fin de l'enregistrement

Transcription : Arne Hessenbruch

Pour citer l'entretien :

« Entretien avec Sam Silvan Schweber », par Arne Hessenbruch, 12 décembre 2000 Sciences : histoire orale, https://sho.spip.espci.fr/spip.php?article128.
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Entretien avec Sam Silvan Schweber, par Arne Hessenbruch, 27 aout 2001

Lieu : non précisé

Support : enregistrement non précisé

Edition en ligne : Sophie Jourdin

PETTIFOR David G., 2002-12-13

Sophie Jourdin — 2011-11-04T15:31:52Z

David G. Pettifor
Director of Materials Modeling Laboratory, Department of Materials, University of Oxford, Parks Road, Oxford OX1 3PH, UK.

DAVID PETTIFOR (DP) : Professor Hirsch told me that you might be interested in the fact that I wrote a short biographical sketch about the founder of our department, William Hume-Rothery (H-R). When he died in 1968 the TMS (The Minerals, Metals and Materials Society) in America set up an award, the William Hume Rothery Award for distinction in the science of alloys. This award has been given out every year. At the time of the millennium they decided it would be nice to have a special symposium to evoke H-R's science. Since I am based in Oxford, I was asked by the Committee to give a presentation, a biographical sketch. That was very interesting for me.

BERNADETTE BENSAUDE-VINCENT (BBV) : What is your background, in physics or chemistry ?

DP : I had registered at University to read Chemical Engineering, because I loved the chemistry laboratory at school. Fortuitously, I bumped into my old physics teacher just before the start of the university year, who persuaded me that physics was the most fundamental of the sciences. So I changed my mind and went into physics. I did my first degree in South Africa at the University of the Witwatersrand in Johannesburg, where Professor Frank Nabarro had built up a strong department of physics. I found my first three undergraduate years of classical physics pretty boring, being challenged mainly by some inspiring young lecturers in the Mathematics department. Fortunately, in my honours year we had excellent lectures in quantum mechanics and solid state physics. I was awarded a National Postgraduate Scholarship and came over to Cambridge at the Cavendish Laboratory in October 1967 to do my Ph.D. with Volker Heine in theoretical condensed matter physics. By the time I visited Oxford as a graduate student, H-R had already died, so that I never met him. So I found it intriguing to research a bit into his life and science, using manuscripts and correspondence in the Bodleian Library and interviewing his daughter Jennifer Moss. Here is the paper (D.G. Pettifor, "William Hume-Rothery : His life and science", in E.A. Turchi, R.D. Shull, A. Gonis eds. The Science of Alloys for the 21st Century : A Hume-Rothery Celebration, TMS, 2000, p. 10-32). H-R was the holder of a professorial chair in metallurgy endowed by the Wolfson Foundation.

BBV : What is the Wolfson Foundation ?

DP : Isaac Wolfson was a merchant trader in Manchester who set up Great Universal Stores (GUS), a mail order company, in the interwar period. He became very wealthy and was interested in supporting science and education. For instance, there is a Wolfson College in Cambridge and one also in Oxford. H-R got the first Isaac Wolfson Chair in 1966. Now there are Wolfson Chairs in various other universities around the UK.

H-R basically was a chemist. He did his undergraduate degree in Oxford. You know the story : he was totally deaf. His family wanted him to enter a military career but meningitis contracted in 1917 left him totally deaf. He wanted to go to Trinity College in Cambridge where his father had been. But Trinity wouldn't accept him because he was deaf. He then came to Oxford's Magdalen College in 1918 to read Chemistry. On the advice of Frederick Soddy, he went to do his Ph.D. at the Royal School of Mines at Imperial College, London. He worked in Metallurgy with Professor Harold Carpenter. He specialized in the stability of intermetallic phases. They do not follow normal valence rules. In seeking for a solution to the stability of intermetallic compounds, H-R developed the concept of electron concentration as a controlling factor in structural stability. He got his Ph.D. from the University of London in 1925. In that thesis he came up with his famous electron per atom rule for the structure of noble metal alloys with sp-valent elements. At that time chemists had simple chemical valence bond rules. For instance, sodium chloride forms a stable octet system NaCl. So how to explain that intermetallics had crazy stoichiometries, like the sodium tin phases Na4Sn, and Na3Sn2 ? That was the start of the so-called Hume-Rothery rules. That was seminal work. [The "Hume-Rothery rules" on alloy phase behaviour were published in the early 1930s. The first two rules emphasize the importance of the atomic size factor and the electrochemical fact respectively, whereas the third rule concerns the role of the electron concentration (or electron per atom ratio)]. In Oxford the chairs have to be attached to colleges. Because metallurgy was considered as a ‘dirty' subject it was not attached to a proper, well-established college. St. Edmund Hall, on the other hand, was a very poor college, a not well endowed college. In the 1950s, they were trying to build up their reputation academically rather than just being famous for their rugby players and oarsmen. So when the metallurgy professorship was passed round the colleges, St. Edmund Hall picked it up so that the Isaac Wolfson chair is held at St. Edmund Hall. H-R was there, then Sir Peter Hirsch was there and I am there now. In retrospect, it has brought great prestige to the College because all the metallurgists at St. Edmund Hall have been elected fellows of the Royal Society.

BBV : Is metallurgy still prestigious now ?

DP : As you know, during the past forty years metallurgy departments around the world have transformed to embrace materials in general. This is reflected in the history of our own department where the undergraduate course was re-titled ‘Metallurgy and Science of Materials' shortly after the arrival of Sir Peter Hirsch as the new Isaac Wolfson Professor in 1966. Then shortly before his retirement in 1992 the name of the department was changed to simply ‘Department of Materials'. Nevertheless, metallurgy still plays a key role in the department with outstanding, internationally-funded research being performed on developing new process routes for metals and alloys. When this department was created industrial sponsors wanted undergraduate programs to train people for industry rather than the setting up of a purely research institute. In practice, our undergraduate numbers have always remained small (around 30) in comparison to the physicists, chemists and engineers with their annual intake of two hundred students each. Our sizable faculty is heavily supported by our successful graduate programs and postdoctoral research. Expansion to the green-field site at Begbroke was successfully carried through by our previous Head of Department, Brian Cantor, who persuaded the university several years ago to buy a recently constructed but then vacated laboratory 5 miles outside of Oxford. It is where we have spin-off companies with young researchers. The Oxford department is by far the top materials department in the country according to the latest research assessment exercise that the UK universities had. That is also true for teaching. It is not however, the biggest one.

BBV : Which is the biggest one ?

DP : This depends on how the counting is done, as many courses are joint with engineering departments. But, on undergraduate numbers, Birmingham, Imperial College and Manchester would be amongst the front runners.

BBV : Could you go back to the beginning of your own career ?

DP : At the time I joined Heine's group, the measurement and calculation of the band structure of how electrons move in materials was a major topic. I was given the project to develop an electron theory to explain the structure of transition metals. It was a theoretical project but it was a well known experimental fact that if you go across the transition metals series from yttrium to zirconium, niobium, molybdenum, technetium, ruthenium, rhodium and palladium the structure changes from hexagonal close-packing to a body centric cubic packing, back to hexagonal and then cubic close-packing. There was a theory, the so-called Engel-Brewer theory, that correlated the crystal structure of metals with the number of valence s and p electrons in the system. H-R did not believe in it.

At that time the Cavendish Laboratory in Free School Lane was a very exciting place to work. Phil Anderson, who later got the Nobel prize with Mott, spent 6 months in Cambridge each year. Brian Josephson, who got the Nobel Prize for superconductivity, was the young star in our group. And Sir Nevill Mott was the fantastically charismatic leader of the Cavendish. They used to come to the seminars and inspired us younger researchers. Well I was very fortunate to be able to crack the problem I had been set, showing unambiguously that the structural trends across the transition metal series were driven by the changing number of valence d electrons, not the s and p electrons as claimed by Engel and Brewer. This work brought me for the first time directly into contact with the metallurgical community, in particular Larry Kaufman and his CALPHAD group who were developing a semi-empirical thermodynamic technique for predicting the phase diagram behaviour of multicomponent alloys. After completing my thesis, I then went down to London as a post-doc in the Physics Department at Imperial College. I had still not resolved my future career path, so shortly afterwards I went off to Tanzania to teach on a two-year contract at the University of Dar es Salaam. I did not want to go back to South Africa. In South Africa I was involved in student politics. I didn't want to go back as a white liberal. After two years in Dar es Salaam, I realized that emotionally and scientifically I wanted to work in Europe or in America. I returned to Imperial College for a year, then back to Cambridge as a post-doc for 4 years. During that time I did my work on the binding energies of the transition metals, performing some of the first-ever Density Functional Theory (DFT) calculations of total energies. In 1978 Bell Labs invited me for 6 months as a visiting scientist. I went to Bell Labs clearly with the idea of sorting out the underlying theory for the heats of formation of metallic alloys.

BBV : Well this was more or less like physics. When did you shift from theoretical physics to materials science ?

DP : I think I've never shifted in the true sense. I come from physics, but I have always had a very broad vision that encompasses the ‘dirtier', more complex world of the metallurgist or materials scientist. I deal with atoms and electrons. My colleague Adrian Sutton has been educated in this department. He is a materials scientist. He is more in tune with the microstructure, the mechanical properties of materials, which for myself have never been really close to my heart. I am much more into the chemistry, the growth of films, into the nanotechnology. My research starts from the fundamental quantum mechanical Schroedinger equation, but I have always enjoyed the challenge of extracting the essential physics, making simple models for explaining, for instance, the heats of formation. If you mix atom A with atom B, Pauling would say that a charge flows from the more electropositive atom to the more electronegative atom, thereby setting up an ionic bond. Therefore, if you have just this attractive ionic term, elements A and B should always mix. In practice, nearly half of all binary systems do not mix. In the mid seventies a Dutch physicist who worked at Philips, Andreas Miedema, came out with a simple generalization of the Pauling predictions for the heats of formation. You don't have just an attractive term but also a repulsive term and by a very clever adjusting of the parameters he could separate the sheeps from the goats, he could separate the alloys with positive heats of formation from those with negative heats of formation. Still the concepts he was pushing were ionic. My early expertise was in metals where concepts of ionicity and the ionic bond do not really make any sense due to the perfect screening by the conduction electrons in a metal. Whilst I was in Cambridge I had performed these first-principles density functional calculations - what everybody does now - what Walter Kohn got a Nobel Prize for. These density functional calculations allowed me to derive a rigorous understanding of the different roles played by the s, p and d electrons in transition metal bonding.

BBV : Did you start with transition metals ?

DP : My thesis took the fundamental scattering theory of electrons in metals and transformed it into a computational tool that allowed me to predict the structural changes across the transition metal series. You are looking at extremely small energy differences between one structure and another. The mathematical transformation that I did from scattering theory to the tight-binding model of Jacques Friedel, allowed the correct prediction of these very small energy differences.

BBV : What do you call a model ?

DP : Well, this is what physicists spend their whole time constructing and solving. We make approximations. When I came to Oxford ten years ago I set up the Materials Modeling Laboratory. People wanted me to call it the Laboratory for Computational Materials Science. I said no. Computing, solving numerically quantum mechanical or classical equations, is not the key step in providing insight into the complex world of materials and their properties. The critical step, the creative step, is finding a model that encompasses the dominant mechanisms of the complex process one is wishing to describe. Only then can we write our computer program to provide quantitative answers. Hence, I kept the name Materials Modeling Laboratory. But they laughed at me and said : Here you go with your plasticine.

BBV : So what is a model ? I guess it is not a small plasticine shape that you were trying to do.

DP : A model is an attempt to extract the essential ingredients, the dominant mechanisms that you feel responsible for what you want to explain. For example, you can take Walter Kohn's equations. They had transformed a many-body problem into a simpler one-body problem. I would not call that a model. That is a theory, the so-called Density Functional Theory (DFT). These equations are however, still very complicated. In order to be able to simplify these equations, we use a chemistry description. We imagine bonds between the atoms. We reduce very complicated equations by using a chemical bonding picture that is familiar to all undergraduates.

BBV : Do you mean that you transformed a matter of calculus into something visual ?

DP : No, although the underlying physics can be visualized in terms of chemical bonds, the model remains analytic. Take the heats of formation, for example. People at IBM and all around the world started DFT calculations with the help of computers : In order to calculate the heat of formation of a mixture of rhodium with palladium, for instance, they compared the total energy of the separate metals, namely 1,000,000 units of energy say, with that for the alloy namely 1,000,000.1 units of energy. The question was what is responsible for that very small energy difference of 0.1 ? I developed an analytic model. It was not based on the Pauling-Miedema model of ionicity but was based on the idea of the importance of the strong, covalent bonding between the valence d orbitals in transition metals. I can do that on the back of an envelope. Solve that model analytically and make the prediction that the heat of formation should change sign while you go through the transition metal series, depending on the average number of valence d electrons in the band. That model was published in Physical Review Letters 42 (1979) 846 and there was a lot of controversy. The established community did not like it.

BBV : Why did they refuse it ?

DP : I tried to work in the spirit of what Wigner and Seitz did in 1933 when they applied quantum mechanics to the problem of bonding in metals. They solved for the binding energy curve of metallic sodium. They replaced the atomic polyhedron in the metal by a sphere which is a good approximation that you can solve. What they did in the early days of quantum mechanics for the sp-valent alkali metals, I generalized when I was in Cambridge to the case of the elemental transition metals. For the binary alloy the picture I had in mind was originally that of Miedema's model. It suggested that if you mix a metal A with a metal B, then you start by cutting out the Wigner-Seitz sphere for metal A and the Wigner-Seitz sphere for metal B and bring them together to form the alloy. I started with that model and tried to show that within DFT you could get an ionic term and a repulsive term like in Miedema's picture. But that was not possible. I realized that I could not justify Miedema's model and I went back to the more chemically intuitive tight-binding model, championed by Jacques Friedel at the time.

BBV : Could you clarify what you mean by analytic model ?

DP : Consider making a model able to predict the heat of formation of transition metal alloys. You start with a real transition metal. It has two types of valence electrons : free electrons and electrons more tightly bound to their parent atoms. The latter are more like the electrons in diamond, in the carbon atom. They overlap and give strong, covalent bonds. If you look at which element has the highest cohesive energy, it is not carbon, diamond or graphite, but actually tungsten which is a transition metal. It comes not from the free electrons but from the tightly-bound d electrons. The model relies on three simplifications that help understand the changing energy when A and B mix. The first simplification is the assumption that the d electrons are the critical electrons whereas the s and p can be neglected. The second simplification is that we assume a constant density of states throughout the d band. We don't want to calculate the exact electronic structure. The third simplification is that we assume that the atoms remain neutral, i.e. there is no net flow of charge from A to B on the formation of the alloy. I call it a model because it is a simple representation of reality, but it is a mathematical model. It is not a qualitative representation. It is a rigorous model because we try to make it internally consistent.

BBV : Which of these assumptions were controversial in your model ?

DP : The third one was critical. Miedema was unhappy about it. There was a big fight at Bell Labs with the person I worked with, who was also unhappy about this lack of explicit ionicity within my model. Nonetheless, I got permission from my bosses at Bell Labs for my paper to go out with myself as the sole author. But to show you the power of scientists at Bell Labs at that time : I went to Imperial College as a new lecturer with my paper already accepted by the Physical Review Letters. Soon afterwards the editor wrote to me saying there was someone at Bell Labs who was submitting similar results. We would like you to withdraw your earlier paper and write instead a joint paper. I wrote back and said I am sorry but this question had already been officially resolved whilst I was at Bell Labs. So it came out just with my name on it. Finally, scientists at IBM Laboratories in Yorktown Heights did DFT calculations and confirmed the basic assumptions of my model.

Such models are important. You asked me why as a physicist I work in Materials Science. People in Materials Science found they could understand the concepts and use them to help design less brittle, more ductile alloys, for example. 15 years ago scientists and engineers at Oak Ridge National Laboratory were attempting to stabilize cubic close-packed phases of the titanium alumini rather than the naturally occurring tetragonal or hexagonal binary phases which were very brittle at room temperature. I had recently ordered the structural database of binary compounds within a simple two-dimensional structure map. Conventionally, structure maps had been constructed by taking coordinate axes to reflect those physical properties which were deemed important for controlling structural stability : for example, the difference in electronegativity of the two elemental constituents ∆X, the difference in atomic size ∆R, or the average number of valence electrons per atom e/a. During the early 1980s Pierre Villars had constructed such three-dimensional maps (∆X, ∆R, e/a) in an effort to separate the binary compounds into distinct structural domains within the map. Unfortunately, the structural separation was not good because these maps relied solely on the classical coordinates of electronegativity, size and number, neglecting completely the quantum mechanical character of the valence orbitals (which describe the bonding hybrids or ‘hooks' that stick out from the atoms to form directed bonds). I realized that if we were to present the structural data in a user friendly fashion for the alloy developers, then we could not use physical coordinates (that required at least four dimensions !) but instead must use a single phenomenological coordinate. This I obtained by running a string through the periodic table, as shown in Picture 1.

Picture 1.

Pulling this string apart orders all the elements with respect to each other, so that two dimensional maps can be plotted for any given stiochiometry (see Picture 2). These maps suggested to the alloy developers how best to alloy their binary titanium aluminides to drive the pseudobinary into cubic domains of stability. They found that these cubic phases were indeed less brittle than the original tetragonal or hexagonal phases, but alas they were still not ductile enough to fly in a jet engine ! This required the expertise of traditional metallurgists who subsequently found clever processing routes to control the microstructure of the alloy. Nevertheless, these two-dimensional structure maps are very powerful pedagogically. The string is the simplest representation that keeps the chemistry by grouping like elements in sequential order. I would call this a model.

Picture 2.

BBV : So would you call the Mendeleev periodic table a model as well ?

DP : I don't have such deep philosophical thoughts. I would call it a table and I call that a string. So maybe it is not a model. But the periodic table is a representation of reality that topologically orders all hundred elements within a matrix that rationalizes their chemical properties. Similarly, this string helps order empirical data on compounds, thereby allowing the search for new alloy phases with improved mechanical properties.

BBV : Is it the kind of models that you are doing at the Materials Modeling Laboratory ? What is the role of modeling now in Materials Science ?

DP : When I came here ten years ago the idea was to set up a Materials Modeling Laboratory that was unique at that time. We wanted to go the whole way from quantum mechanics up to the engineering level within one laboratory. (Picture 3 : hierarchy of models). I have colleagues who do the modeling of processes, for instance, the solidification of metals, or the spray forming of metals. Obviously they use continuum modeling rather then quantum mechanics. The goal was to get this community to talk together. The chemists doing drug design had always had good contacts with fundamental ab initio theorists. But the drug design did not really get beyond the atoms, they did not have to worry about the microstructure. My community had a quantitative basis from which to start. So we could solve the density functional equations on huge computers and get binding energies, heats of formations, and even phase diagrams from first principles. Going from the electronic world through to the world of atoms, then up through the microstructural domain to the continuum world, the idea was to bridge the gaps between these different modeling hierarchies. Ten years ago people started talking to each other but there was not much interaction, except in the polymer world where the chemists had made the most advance in so-called multi-scale materials modeling. But it was also political because at each length-scale there was a different community, loosely corresponding to a different discipline. During my inaugural lecture in Oxford ten years ago, I plotted the vertical scale as drawn in Picture 3 to show that our lab had to be interdisciplinary.

Picture 3.

BBV : Practically how did you interact ?

DP : I introduced the Friday lunchtime seminars. The MML (Materials Modeling Laboratory) seminars are different from the department colloquia. These weekly seminars were a learning experience for all of us. My colleagues in the department saw them as highly successful in integrating the modeling and experimental work within the department.

BBV : So is it by this way that your own research belongs to materials science ?

DP : Yes, I believe very strongly in the goal of multiscale materials modeling where the ultimate driver is to understand and control the processing and properties of materials.

BBV : What kind of models did you work out in this department ?

DP : With multiscale modeling we got funding several years ago from DARPA on the chemical vapor deposition of diamond films. That brought together a team involving a chemical engineer for modeling the flow of gases through the reactor, a materials scientist for modeling the growth of the film, and us in Oxford doing the quantum mechanical atomistic studies on the dominant growth mechanisms at the diamond surface. In America that particular program was called virtual integrated prototyping, VIP. That was a very exciting dynamic program. It was unusual for non US scientists to get funding from DARPA. The same project to model the CVD growth of films was considered as too ambitious in this country by the Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC). We have just put a new application into the DARPA spintronics program that is centered on deriving interatomic bond-order potentials to bridge the gap between the electronic and atomistic modeling hierarchies.

BBV : It seems that the Americans have been extremely important to you.

DP : Yes, DARPA has been important in supporting this work on bridging these gaps. Also it was the Americans who funded the work on the structure maps. The US Department of Energy gave me money that allowed me to take a sabbatical. When this lab was set up ten years ago we got funding from Hewlett Packard Laboratories in Palo Alto for two modeling postdocs and one experimental postdoc. They are currently funding a postdoc to model the writing with an electron beam in phase change materials for atomic resolution storage.

BBV : How do you see nanotechnology ?

DP : I am obviously in favor of it. I am involved with a colleague in this department, Andrew Briggs, on quantum computing in collaboration with people in Cambridge and from the Clarendon Laboratory on the other side of this road. He got a big grant last year. He is looking at different ways of building solid state quantum computers. One of the ways is based on putting nitrogen inside a fullerene inside a nanotube of carbon. Nitrogen has a spin which is a good quantum bit. There was an excellent discussion meeting about quantum information processing a month ago at the Royal Society. The science coming out is absolutely amazing. Even if we don't have a quantum computer in twenty years time, it is pioneering science. The concepts are totally different from classical computing. That is only one part of nanotechnology but it is a very exciting area.

BBV : Do you think that nanotechnology can bring more coherence into the cluster of research fields covered by materials science ?

DP : Tony Evans, probably the most cited materials scientist in the world, currently at Santa Barbara, was the chair of the Panel of Assessment of materials science departments in this country. He started his presentation stating that "Materials science is an enabling science". If it is a science that enables engineers to make things, it is not about to gain coherence as it spreads and dilutes itself into more and more fields such as biomaterials and nanotechnology. May be it will disappear from most universities as a unique undergraduate discipline in the future, as the core disciplines of physics, chemistry, biology and engineering set up interdisciplinary courses and modules. For the present, however, here in Oxford our multidisciplinary materials science course is becoming increasingly popular with school applicants, who enjoy the mix of physics, chemistry and engineering that we offer.

Fin de l'enregistrement

Pour citer l'entretien :

« Entretien avec David G. Pettifor », par Bernadette Bensaude-Vincent, 13 décembre 2002 Sciences : histoire orale, https://sho.spip.espci.fr/spip.php?article127.

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Entretien avec David G. Pettifor, par Bernadette Bensaude-Vincent, 13 décembre 2002

Lieu : Materials Modeling Laboratory, Department of Materials, University of Oxford, Parks Road, Oxford OX1 3PH, UK

Support : enregistrement non précisé

Edition en ligne : Sophie Jourdin

HIRSCH Peter, 2002-12-12

Sophie Jourdin — 2011-11-04T14:03:56Z

Professor Sir Peter Hirsch.

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BERNADETTE BENSAUDE-VINCENT (BBV) : Could you tell me about how metallurgy developed in Oxford and how it grew into Materials Science ?

PETER HIRSCH (PH) : Let me first say a few words about the way I see the early developments of Materials Science in the UK. There were various trends that came together after the War. First of all there was Professor Nevill Mott in Bristol, developing Solid State Physics. His interests included inter alia defects and how they influence properties of materials. He had important activities on properties related to point defects and on the photographic effect. In the course of these studies they also developed techniques for visualizing dislocations. The group included Charles Frank, a physical chemist by training who was a material scientist par excellence. He developed a theory of crystal growth. Then there was Nabarro who worked on dislocations. So in Bristol they worked on defects, dislocations, crystal growth, the photographic effect, and also optical properties of crystals.

BBV : Where were they based ?

PH : In the Physics department at Bristol University. It was Solid State Physics. The electron theory of metals was developed there too. And Jacques Friedel was there for some time. In my opinion Solid State Physics opened the way to Materials Science. In parallel with this there was the group in the Metallurgy Department in Birmingham, lead by Alan Cottrell. He is much more of a materials scientist than I am. He was subsequently instrumental in developing Materials Science in Cambridge. His activity in Birmingham was very important because his group attempted to explain mechanical properties in terms of disclocation theory. And the third trend was what happened here in Oxford through Hume-Rothery's classic work on electron phases of alloys. He stimulated work on electron theory of metals and alloys in Physics Departments elsewhere. He was trained as a chemist.

BBV : So it came out of these three trends ?

PH : These are the main three. I may be unfair to other groups but these were the most influential groups.
There was some Metal Physics going on in the Cavendish Laboratory after the war. Bragg, who was Head of Department was of course an X-Ray crystallographer. In order to understand the intensities of diffraction spots on an X-Ray diffraction photograph, it had to be assumed that the crystals were not perfect, i.e. that crystals consisted of mosaic blocks. This was based on a theory by Darwin (1914) of the intensities of diffracted X Rays. Bragg published a note in the 1940s on the relationship between strength and particle size (mosaic blocks) in crystals. There were two groups in the Cavendish in the Metal Physics field when I came in 1946. One was Bragg's little group which developed the bubble-model, typical of Bragg's simple but brilliant ideas. Another group was Orowan's Metal Physics group which studied plasticity, fracture, creep, those sorts of topics.

BBV : It is in the Cavendish Laboratory that you started your career, isn't ?

PH : It was 1946 when I joined and there were several activities. My own work started from Bragg's interest in work hardening (when you deform a metal it becomes stronger). I actually went into the Crystallography Department of the Cavendish to work on a PhD problem that Bragg gave me. It was conceptually very simple. If you take a metal and work it, does it break up into smaller blocks ? Bragg always had very simple and brilliant ideas. If the crystal breaks up into smaller blocks (subgrains) the diffraction pattern consists of individual spots from each little subgrain. If you make the beam small enough you illuminate such a small number that you will get a few spots on the diffraction ring, whereas, with too large a beam diameter you get a continuous ring due to overlapping spots. You can count the spots (on discontinuous rings) and deduce the size of the particles. That was the project. It did actually work for heavily cold worked aluminium. We derived a particle size of 2 microns. By the time we managed to do all this by X ray diffraction, Bragg had lost interest in it. He did not actually supervise me. Bragg was interested in proteins at that point. My formal supervisor was W.H. Taylor who was head of the Crystallography Department. His interest was the structure of minerals.

BBV : When you worked in Cambridge did you consider yourself as a crystallographer ?

PH : I was a physicist working in a department of crystallography. In those days most conventional crystallographers determined crystal structures. I was one of the relatively few people not doing that.
By the time we found that cold worked aluminium breaks into subgrains, Heidenreich at the Bell Laboratories published the first pictures of metals by Transmission Electron Microscopy (TEM). He observed directly the little subgrains in heavily beaten aluminium foil. That depressed us very much because we needed exposures of many hours for our x-ray diffraction photographs, while he had a ten second exposure with his electron microscope. So we went into this field of TEM and finally we saw individual dislocations. This had a big impact because there were many metallurgists who did not believe in dislocations, who considered them as figments of the imagination of solid state physicists working out theories in tremendous detail without much supporting experimental evidence. With our technique you could see dislocations directly and see them move. And we made movies. I remember showing a movie at MIT to Bert Warren who was a well-known X Ray crystallographer. His comment was symptomatic of many metallurgists. Seing is believing. We converted people.

BBV : In terms of institutions could you describe the shift from Metallurgy to Materials departments ?

PH : There were many Metallurgy departments in this country : Sheffield, Birmingham, Imperial College, to mention a few. The activities of the groups that I mentioned gave an impetus. But an important impetus came from the United States. Bill Baker and Herbert Holloman in particular had this vision of multidisciplinary activities leading to the development of better materials, whiskers, ceramics etc.. An enormous amount of money was spent at General Electric, and Bell Telephone and the Ford Motor Company. When Alan Cottrell became Professor in Cambridge that was the real beginning of an institutional effort to develop Materials Science in this country. In my opinion that was the defining moment. Alan Cottrell left Birmingham in 1955 and went to work at the Atomic Energy Authority at Harwell where he worked on uranium and materials for nuclear reactors. Then he became Goldsmith Professor of Metallurgy in Cambridge in 1958. He started projects on ceramics and composite materials. Tony Kelly joined him to work in these areas. Alan Cottrell ‘s interest in composite materials probably stemmed partly from activities in the US but mainly from his own views on strong materials. He also supported work on superconductors. His initiative to work on different types of materials was probably the beginning of the shift from metallurgy to materials science in Universities in this country.

BBV : Could you tell something about the implementation of Materials Science here in Oxford ?

PH : The department of Metallurgy and an Honour School in Metallurgy were started by the University in 1957. Jack Christian wrote a paper on the early history (Materials World, April1997) when the department celebrated its 40th anniversary. You see from this that Hume-Rothery started as a chemist and worked in the Inorganic Chemistry Department. But he was interested in metallic phases. The idea of a separate department arose gradually. Jack Christian was appointed as demonstrator in 1951 and initially lectured on metallurgical topics to chemists. Metallography was a supplementary subject in the Chemistry Honour School. Then the Pressed Steel Company at Oxford established a readership in metallurgy named after George Kelley. Hume-Rothery became the first George Kelley reader in 1954. Jack Christian was appointed lecturer in 1955, then John Martin came from Cambridge and joined in 1957, followed by Angus Hellawell. There was a move to increase the Engineering School and to develop a Department of Metallurgy. Francis Simon who was professor of physics here was keen to establish something on the lines of the Laboratory for the Study of Metals in Chicago, which was famous in those days. Chicago was a research institute, not a teaching department, just a research institute for postgraduates. This is what Simon had in mind for Oxford. However, the industrial advisors expressed the view that we needed to educate metallurgists to go into industry. British industry wanted a teaching department. Monty Finniston, who was at the time the head of the metallurgy division at AERE Harwell and later became chairman of British Steel, made approaches to the Wolfson Foundation for financial support. The result was the establishement of the Isaac Wolfson Chair in Metallurgy which Hume-Rothery held until his retirement in 1966.
At the same time the condition that the Wolfson foundation made for giving the money for the Chair was that the University Grants Committee, an organization distributing the money from the Department of Education to the Universities, should provide the funds for the building. Funds were provided by the University Grants Committee and the building was opened in 1959. Initially the Honour School was a Joint Honour School in Chemistry and Metallurgy, which subsequently became Metallurgy. There is an interesting quote in Jack Christian's paper which indicates the University's unease with technology at that time. The Honour School should teach « no more technology than is involved in the degree courses of chemistry and physics » and it stated that « the man who has studied pure science at a university can take up technology on entering industry much more easily than one who has studied technology can later take up the pure science which may be required for his work ». It was still quite difficult to really expand engineering and to get a proper engineering metallurgy course at that time. The research that was going on here was on alloy phases (Hume-Rothery's research) ; John Martin worked on mechanical properties of alloys ; Angus Hellawell worked on solidification studies ; Jack Christian worked on phase transformations - the martensitic transformations - of metals and alloys, and also on plastic deformation of body centred cubic metals. So that was the development of metallurgy in Oxford before 1966. Clearly this department was a metallurgy department rather than a materials department. But Hume-Rothery's work was influential in encouraging solid state physicists to become interested in metals. He stimulated the understanding of the structures of metals and alloys on the basis of the fundamental electron theory of metals. He empirically developed some structure rules. He hoped that electron theory of metals would enable the prediction of the structures of metals and alloys and appointed a theoretical chemist, Simon Altmann, to work in this area.

BBV : And then you came in this Metallurgy department. Why did you move from Cambridge to Oxford ?

PH : I came in 1966. I was a physicist who had worked on electron microscopy of defects in materials. I had the opportunity to take a Cambridge chair or an Oxford chair. I decided to go to Oxford for two reasons. 1) I had been in Cambridge quite a long time (23 years) and a change opens new vistas. 2) The challenge was much greater here and my own predilection was always for building things up. The Cambridge Metallurgy department was a large and successful department built up by Alan Cottrell. In Oxford there was really a nucleus of a department (a distinguished one) and in principle one could do a job to build it up.
I had already built up a large research group in the Cavendish in Cambridge. When Bragg switched his interests to proteins (Perutz, Kendrew et al) Orowan left and went to MIT. I don't know the details but my impression is that Bragg did not work hard enough to get Orowan a senior permanent job. So the Metal Physics group in Cambridge folded up. Bragg's own little group folded up too. We made a significant effort to set up a new Metal Physics group at the Cavendish. The vision behind this was : We now had a technique to enable us to actually see with the TEM what is going on inside metals and one could see the defect distribution after deformation or irradiation of the material. One could then determine in principle what the properties of the materials were. That was the Holy Grail. There were three steps : 1) to try to understand the properties of the defects and how they interacted ; 2) to try understand how they control the macroscopic properties ; 3) if one understood the basic relation between defects and properties then one could eventually go further and predict what processing should be done to optimise properties. That was the vision but while we were successful in the first step, there was only limited success in the second step, and we never got as far as the third step.
When I came to Oxford, my aim was to get this technique of TEM - to see what goes on in the materials - transferred to a metallurgy/materials department. I wanted to get it closer to applications to « real » materials. Whereas physicists work on models, - on pure copper for instance, a metallurgy department should be looking at materials of interest technologically, such as alloys that are much closer to practical needs. My aim was to apply TEM to technologically interesting materials, real materials rather than the model materials that we looked at in Cambridge.
When I got here I did attempt to build up Materials Science. Right from the beginning my aim was to shift from metallurgy to materials science which should cover all kinds of materials and applications.

BBV : Where did this project come from ?

PH : There was no model course. We had to build this up incrementally. When I first came the University provided three new permanent posts, very generously. One was for Professor Whelan, to establish the electron microscopy group. One went to John Hunt, a solidification expert who had worked at Harwell and Bell Laboratories ; and another one was for Geoffrey Groves who worked on ceramics. Gradually we built up a Materials Department by securing more appointments. You have to realize that when I came in 1966 the number of staff was very small (4 faculty plus the Professor).The course developed gradually and changed from metallurgy to materials science. In the early years a considerable part of the teaching was carried out by research assistants or fellows supported on research grants or fellowships. The research activities were built up first, and the research groups then helped in the teaching of the Honour School.

BBV : When did you officially change the name of the department ?

PH : That was much later, 1990. The name of the Honour School was changed to Metallurgy and Science of Materials in1969 (The University would not accept "Materials Science" because Materials was not an adjective !).

BBV : Did you appoint chemists as well ?

PH : We didn't appoint chemists to teaching posts. We appointed metallurgists and physicists. But we did appoint a chemist to a research post in the department, in high resolution electron microscopy. When I retired in 1992 the department consisted mainly of metallurgists or materials scientists and physicists or ex-physicists. We appointed inter alia people who had expertise in semiconductors, superconductors, magnetic materials, materials processing, corrosion. Gradually we extended the scope of the courses in the department. The one sticking point was polymers. For a very long time we could not get a good polymer scientist. It has changed now. We now have two polymer scientists.

BBV : Did you have contacts with John Goodenough who came to the chemistry department in 1973 ?

PH : We did have contacts but we probably did not make the best of the opportunity. In this department we were more interested in the effect of microstructure on materials, metals, ceramics, semiconductors, superconductors, magnetic materials etc., rather than e.g. in the intrinsic magnetic properties of perovskites and other materials. Our interests were not sufficiently close. We became a Materials Department in that we were concerned with the effects of microstructure on properties of a wide range of materials of technological interest and with the effects of defects on devices. The work on superconductors was initially on low temperature superconductors, but later on high temperature superconductors, and the more recent studies focused on processing. There was some interaction with the Inorganic Chemistry Laboratory on electron microscopy of catalysts and superconductors.

BBV : Did you keep a close link between courses and research in the department ?

PH : Yes. We started as a metallurgy department. We built up a number of research groups, and the expertise in some of these, e.g. semiconductor and magnetic materials, enabled us to teach courses on these topics and broaden the curriculum to Materials Science. At some point we had a group working on cements, and this too led to a course in the Honour School. And there were always undergraduate and postgraduate courses on materials characterisation, where we had particular strengths. In the 1980s, I became more interested in the output end, in getting closer to the engineers.

BBV : Did you train students in engineering ?

PH : The engineers had their own faculty to teach materials to Engineers. But we did some teaching for them, and over some years they taught polymers for us. In the mid 1980s we started a joint course with the Engineers on Electronic and Structural Materials Engineering, changed to Engineering and Materials in 1992. This led to closer collaboration with the Engineers in teaching and research.

BBV : Did you also have contacts with the nuclear physics department in Oxford ?

PH : The only contact we had with the Nuclear Physics Laboratory in Oxford was on their proton microprobe, a materials characterisation tool, and fairly recently this activity was transferred to our department.

We had a lot of contacts with Harwell. From 1973 onwards I got very much involved with the study of the integrity of pressurized water reactors through the Marshall Committee. From 1982 to 1984 I became part-time chairman of the Atomic Energy Authority. This period had a strong influence on me. I felt the need to produce materials engineers, not only materials scientists. I learned during my period with the Atomic Energy Authority that the education of engineers in materials tended to be relatively poor. And this could result in inappropriate component design or manufacture. These problems sometimes led to costly mistakes. In order to develop a joint activity between engineers and metallurgists we got some support from the engineering department. To cut a long and difficult story short, we took an opportunity which presented itself around that time in the form of additional funding for engineering courses from the Government to start a course on Electronic and Structural Materials Engineering.

BBV : Was it in the 1980s ?

PH : Yes.

BBV : Did you then feel the need to add « engineering » in the name of the department on the lines of the departments in US universities that are called Materials Science and Engineering with an emphasis on the E of Engineering ?

PH : What happened here is that we developed a multiplicity of courses to provide more options for the undergraduates to increase our intake. The courses were Metallurgy and the Science of Materials, then Metallurgy, Economics and Management (1979), and finally Engineering and Materials. There is close collaboration between us and engineering through the teaching and contacts in research. This depends on individual contacts of course. In the 1980s we set up with the Engineers the Oxford Centre for Advanced Materials and Composites (OCAMAC) to foster collaborative research and contacts with industry. There is now also strong collaboration with people in chemistry and physics on a number of research programmes. We have become much more interdisciplinary, if you like. We have always considered ourselves as a bridge between the Science and Engineering Departments, with contacts with both. The fact that Physical Science and Engineering are all part of the same faculty in Oxford is advantageous to us. We did consider changing the name of the Department to Materials Science and Engineering - but that was unacceptable to the Engineers who considered Materials Engineering to be their responsibility. So we decided to change the name in 1990 to "Department of Materials".

BBV : It seems that your story is quite different from that of the US materials departments.

PH : I think that it is different ; you are quite right. Here the initiative to have Materials Departments came from academics, whereas in the US the development was led by Industry, and industrialists promoted Materials Science in Universities. (This does not mean that no materials science was going on in industry in the UK - e.g. the carbon fiber work at Farnborough.) I think it started in Cambridge first. We came along in the late 1960s. By that time there were materials science activities going on in many departments, at Imperial College and Birmingham, for instance. We could not claim to have inspired Materials science in the UK. We came along and did our own brand. There were many departments, but they were on a small scale. Concerning the definition of Materials Science I am with Merton Flemings. Structure, properties, processing, performance/application. I think it is the engineering applications that are fundamental. The philosophy of the department here was to get theoretical and practical people together. People able to develop models with people who really know what applications are important. And industrial links were fostered. It is still the philosophy today, even more so. In the last few years after my retirement the department has gone from strength to strength in that direction. There is now another site in Begbroke, five miles away from Oxford centre. It provides opportunities for collaborative research between the Department and Industry.

BBV : Where did the money come from ?

PH : The funding for work in the department came partly from the University, the Research Council and Industry. Some from charitable foundations, e.g. for building expansions. We had a large budget from the Research Council. That is another important aspect, somewhat similar to the US picture.

It is difficult to attract undergraduates to read Materials Science and Metallurgy. Enormous efforts have been spent on attracting more undergraduates, most of them not very successful. (But a recent appointment of a Schools Liaison Officer seems to be effective.) Materials Science is not a school subject, although elements are introduced into some of the school examination papers e.g. the physics curriculum. The number of courses and options that we offer in Oxford has helped a bit but it remains a problem. Some small departments in the UK were able to survive because they had a large research activity (supported on non-University funds) compared to the undergraduate activities. But in the UK as a whole some Materials Departments have closed or have been amalgamated with Engineering Departments. The change of name of department from Metallurgy to Materials does not only reflect the change in content of the courses. It is also pragmatic because metallurgy has an old-fashion ring about it and materials science is a much broader subject likely to attract more students. The image of materials for computers, aeroplanes and cars is more exciting than that of dirty blast furnaces in the steel industry.

BBV : What would you say about multidisciplinarity in the development of this department ? More specifically could you compare the situation here in Oxford with this diagram published by the National Academy of Science in 1969 with a hard core in mathematics physics and chemistry and applications around ?

PH : I would agree with this : mathematics, physics and chemistry are basic inputs in Materials Science with applications in ceramics, polymers, and so on. But in these days I would include materials for medical applications. There is somebody in this department working on biomedical materials for implants. There is also a large group in Cambridge. There is a big scope for materials in medicine, particularly for prostheses.

BBV : Finally would you consider yourself today more as a physicist or as a material scientist ?

PH : I think I am physicist who « saw the light ». True physicists would no longer consider me as a physicist. I consider myself as a materials scientist because my interest is in the effect of microstructure on the properties of materials. I am interested in quite complex materials, with potential applications e.g. high temperature intermetallics, and in modelling their complex mechanical properties. I ended up as a materials scientist. But there are materials scientists who would consider me to be a rather theoretical materials scientist. In the later years of my conversion I supported and promoted materials processing in the department although it took me rather a long time to get to this view, to appreciate the importance of this field, and to realise the need and potential for modelling.

BBV : What is your concept of materials science ?

PH : I am close to Merton Flemings's concept. To me materials science is an enabling science. We study material composition, structure, properties and processing for applications in engineering. There is now a strong group on processing here. Not only casting but various kinds of processing like spray forming, coating, making magnetic and superconductor devices etc. There are also two lecturers working on polymers now.

BBV : Does polymer synthesis now belong to Materials Science ?

PH : Polymer processing and modelling properties belong to materials science, but synthesis of new kinds of polymers - I doubt if this is a proper activity for a materials department, although it would be quite appropriate as a joint research activity with Chemistry. That would be my view for what it is worth. But composition, structure, properties, performance, Merton Fleming's picture, defines Materials Science.

BBV : What about the recent addition of end-users to this picture ?

PH : Yes end-users are important but I would consider that this links in with performance. The interaction with industry is important. Quite apart from the problem of funding it is vital for materials science, as an enabling science.

Fin de l'enregistrement

Pour citer l'entretien :

« Entretien avec Peter Hirsch », par Bernadette Bensaude-Vincent, 12 décembre 2002 Sciences : histoire orale, https://sho.spip.espci.fr/spip.php?article126.
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Entretien avec Peter Hirsch, par Bernadette Bensaude-Vincent, 12 décembre 2002

Lieu : Materials Department, Oxford University

Support : enregistrement non précisé

Edition en ligne : Sophie Jourdin

HAGENMULLER Paul, 2001-06-12

Sophie Jourdin — 2011-11-03T15:23:16Z

Paul Hagenmuller, born in Alsace in 1921, developed solid-state chemistry in France. He first initiated a research program at the University of Rennes (1956-60). In 1960 he set up a dynamic laboratory in Bordeaux. In 1964, Hagenmuller organized an international conference dedicated to the relations between structure and physical properties in oxides of the transition elements. The meeting gathered together chemists, crystallographers and solid-state physicists and prompted the establishment of an international community of solid-state chemists. In Bordeaux, Hagenmuller became the head of a research school working, at the interface between physics and chemistry, on the relation between atomic/electronic structure and physical properties, with a strong emphasis on industrial applications.

The Bordeaux research school has attracted scientists and students from all over the world (both developed and emerging countries) and many brilliant chemists of the next generation such as Jean Rouxel were trained in Bordeaux. Paul Hagenmuller retired in 1994. A jubilee celebration was organized at the Maison de la chimie in Paris in 1997. In 2001, his 80th birthday was celebrated in a special issue of the journal Solid State Chemistry.

HERVE ARRIBART (HA) : Pouvez vous retracer votre formation, vos débuts dans la carrière ?

PAUL HAGENMULLER (PH) : Depuis que je m'intéresse à la science je me suis préoccupé de la physique. Je me suis demandé pourquoi les matériaux avaient telle ou telle couleur, tel ou tel comportement électrique, magnétique, optique ... J'ai donc été porté vers la physique, plus tard vers la mécanique par extension, dès que j'ai entrepris mes études de science. Ces études ont eu lieu en 1940 à l'université de Strasbourg, repliée à Clermont Ferrand. Mon statut était celui d'un réfugié politique puisque j'avais quitté l'Alsace pour échapper au système politique allemand et parce que je me refusais d'être un jour mobilisé dans l'armée allemande. A Clermont, pour des raisons financières j'ai fait le choix de la chimie, séduit par la diversité des méthodes de préparation mais choqué parce que la chimie était alors très descriptive et n'était pas encore une science déductive, de réflexion.
Sur place, je suis entré en résistance, je faisais du sabotage. J'ai été arrêté en 1943 et envoyé en camp de concentration à Buchenwald. Là j'ai appris à me taire. J'ai travaillé sur les V2. J'ai appris le russe avec les prisonniers russes ; j'avais de bons contacts avec les communistes allemands. Puis j'ai été envoyé à Dora où c'était plus dur.
Après la guerre, André Chrétien m'a proposé un sujet de thèse sur la formation de nitrites complexes en solution aqueuse, puis une recherche sur la réduction de divers oxydes par des hydrures d'alcalino-terreux. J'ai accepté parce qu'il y avait un appareil mathématique. Puis au lendemain de ma thèse je me suis dit : il faut que je travaille sur des choses plus concrètes, les matériaux. J'ai voulu revenir à mes anciennes amours les matériaux. Je suis parti au Vietnam dans le cadre d'un accord avec la direction de l'enseignement supérieur et moi. Je partais pour deux ans 1954-56, au moment où la France se désengageait et voulait garder des relations culturelles. Au retour il était entendu que je pourrai choisir un poste de maître de conférences parmi ceux qui étaient disponibles en chimie. Ces deux ans de Vietnam ont été pour moi une période de décantation, de réflexion. Et quand je suis revenu j'ai voulu, d'une part, me préoccuper de physique ce qui suppose la détermination des structures atomiques - pour comprendre les propriétés physiques il faut savoir quelles sont les positions des atomes - et, d'autre part, il faut une certaine habileté à préparer des matériaux par des techniques nouvelles fort différentes.

HA : Quelles étaient alors les relations entre physique des solides et chimie des matériaux en France ?

PH : Aujourd'hui la physique s'est beaucoup rapprochée de la chimie parce que, de part et d'autre, on a compris que c'était indispensable pour faire des matériaux à propriétés spécifiques intéressantes sur le plan de la science fondamentale et intéressantes aussi sur le plan des applications. Au début des années 60, on en était à se chercher. Moi, j'avais fait un choix très clair : faire une chimie orientée vers la physique, plus tard vers la mécanique. Maintenant c'est devenu presque de routine, ne serait-ce que par ce que les chimistes pour bien connaître leurs matériaux sont obligés d'utiliser des méthodes de caractérisation physiques. La physique s'est imposée dans les perspectives de la recherche comme par les nécessités quotidiennes : savoir où sont les atomes et les électrons.
Donc au retour du Vietnam mon objectif était d'associer la physique et la chimie. J'ai eu la chance que dans mon poste à Rennes il y avait quantité d'excellents étudiants, mais en chimie personne ne voulait faire de la recherche sous prétexte qu'il n'y avait pas de moyens. J'ai décidé que j'allais lancer des thèses dans ce domaine à l'interface de la physique et de la chimie. On a d'abord tâtonné. On a travaillé sur le bore, sur les hydrures. Parmi les études réalisées à Rennes se trouvait la réduction d'oxydes par l'hydrure de lithium. On était intéressé par les hydrures de bore et d'aluminium qui comportaient des liaisons dites pont-hydrogène originales. Ceci m'a donc amené à réduire le V2O5 par l'hydrure de lithium et nous avons constaté qu'il y avait des phases intermédiaires qui devaient être les futurs bronzes de vanadium et de lithium, qu'on a appelées plus tard b et g. La phase a étant la solution solide de lithium dans V2O5. Alors j'ai pensé que ces matériaux étaient intéressants : s'il y a là un domaine d'existence, les propriétés physiques doivent varier à l'intérieur de ce domaine et si, par chance, ce domaine est suffisamment grand on peut faire ce qui est plus difficile dans les solutions solides limitées, de type oxydes non stœchiométriques. On s'est préoccupé de manière systématique des bronzes de vanadium qu'on a préparés par voie synthétique. Dans les années qui ont suivi - de 1960 à 70, j'étais alors à Bordeaux où un grand nombre de chercheurs de Rennes m'avaient suivi - on a préparé un grand nombre de phases de bronzes de vanadium par analogie avec les bronzes de tungstène qui avaient déjà été signalés. On a fait systématiquement des études magnétiques et électriques pour caractériser le mode de conductivité. Il est apparu que lorsqu'on insérait le lithium dans le réseau, on remplissait les états électroniques du vanadium, qui forment la bande de conduction. Les électrons devenaient donc de plus en plus délocalisés au fur et à mesure que leur nombre augmentait et on passait d'un état semi-conducteur à l'état métallique.

BERNADETTE BENSAUDE-VINCENT (BBV) : Quelles étaient vos relations avec le groupe de Robert Collongues ?

PH : Collongues avait été élève de Georges Chaudron, comme André Michel, Paul Lacombe, Jacques Bénard. J'avais d'excellentes relations avec Collongues. Nos domaines se recouvraient partiellement sur la non-stœchiométrie mais on avait des approches différentes. Lui enlevait des ions, nous on faisait de la chimie d'insertion. Collongues aimait bien se singulariser par rapport à moi mais dans la pratique nous avions la même politique sur des matériaux différents. Il y avait chez lui le même désir de systématique et de réflexion en profondeur. Collongues considérait que la bonne expérience était importante mais qu'elle devait illustrer une réflexion de fond. Il pensait que la science était avant tout la réflexion intellectuelle.
J'ai fait de la chimie sous pression à la manière d'un tailleur : choisir une structure cristallographique, écrire la formule d'une composition chimique, puis la stabiliser dans un degré d'oxydation élevé. Après avoir discuté la structure puis la formule, on préparait sous haute pression. C'était du design pour la conductivité électronique, les propriétés magnétiques, ou les propriétés magnéto-optiques et plus tard également pour la conductivité ionique.
Nous nous intéressions systématiquement à l'évolution de toute propriété physique originale en fonction de la composition et de la structure. Un nœud important dans cette évolution fut le colloque organisé à Bordeaux en 1964 sur les oxydes d'éléments de transition.

HA : Quelle fut la portée de ce colloque de 1964 ?

PH : Ce fut le moment où s'est constituée une communauté internationale de chimie du solide. Le colloque a rassemblé les chimistes qui nous étaient familiers, des cristallographes (Erwin-Felix Bertaut, Charles Guillaud), des physiciens (Jacques Friedel). Parmi les étrangers Mike Sienko, John Goodenough du Lincoln Laboratory au MIT qui est venu pour la première fois à Bordeaux ; des Allemands : Wilhelm Klemm, Rudolf Hoppe, Harold Schäfer ; des Hollandais, des Belges, etc. Il est apparu qu'une conjugaison des méthodes de mesure physique, des méthodes de détermination structurale et une certaine flexibilité pour les changements de composition, pouvaient permettre d'optimiser un certain nombre de propriétés physiques. D'abord le magnétisme, ensuite il y a eu la ferro-électricité - comment accroître la distortion ferro-électrique et par voie de conséquence la polarisation ; enfin, la conductivité ionique, d'abord dans des matériaux isolants au point de vue électronique et ensuite dans des matériaux dits cathodiques utilisables dans des batteries parce que conducteurs mixtes.
Je dois dire que ce qui fut déterminant pour l'avenir de la chimie du solide ce fut la venue de John Goodenough à ce congrès parce qu'il a popularisé parmi nous l'idée de l'importance de la liaison chimique. On a compris qu'on pouvait renforcer ou atténuer la liaison chimique en modifiant la composition, en particulier en jouant sur la liaison antagoniste. Par exemple si on compare le zirconate de baryum avec le titanate de baryum, la liaison baryum-oxygène est renforcée dans le zirconate par rapport au titanate. Inversement si on remplace dans le titanate de baryum, le baryum par le strontium comme la liaison strontium -oxygène est plus forte que la liaison baryum-oxygène, la liaison titane-oxygène est affaiblie, ce qui peut amener une variation très forte de la polarisation en fonction de la température, juste en dessous de la température de Curie. Et on peut avoir ainsi des matériaux aux propriétés intéressantes.

HA : Le rapprochement de la physique et de la chimie avec une orientation vers les applications constituerait-il donc l'identité de la chimie du solide à cette époque ?

PH : Oui nous avions un besoin civique de justifier les crédits que nous demandions par une application dans la vie économique. De plus, le travail avec des industriels fait naître des problèmes inattendus qui sont des challenges et qui sont nourrissants.
Une deuxième date importante dans l'institutionnalisation de la chimie du solide est 1978. Sur mon initiative la Société française de Chimie a créé en 1976 une division de chimie du solide, dont j'ai naturellement été le président. J'ai organisé la même année un premier colloque national de chimie du solide à Nantes. Sur ma proposition et sous ma présidence s'est tenu à Strasbourg en 1978 le premier congrès européen de chimie du solide, organisé par Jean-Claude Bernier (Strasbourg a été choisi pour une raison stratégique,). L'intervalle entre deux congrès consécutifs est maintenant de 3 ans ; le huitième congrès européen a lieu en juillet 2001 à Oslo.

HA : Quel était l'état des relations entre science et industrie en France à cette époque ?

PH : Il y avait une tradition de collaboration en métallurgie et en chimie : Chaudron et ses élèves, Lacombe, Bénard étaient très impliqués. Robert Collongues l'était aussi dans le domaine des monocristaux. Mais il y avait une forte hostilité syndicale au nom des grands principes : il ne faut pas mettre la science au service des grands intérêts privés. Les choses se sont atténuées à la veille de l'élection présidentielle de 1981. J'ai eu la visite de M. Kahane, longtemps doyen à Orsay, qui s'était rallié à la collaboration avec l'industrie privée. Cela a facilité cette évolution qui, de ma part, ne rencontrait aucune résistance car j'étais un scientifique et je n'avais pas à me poser des problèmes de déontologie qui me paraissaient un peu artificiels. Mais une partie de mon entourage était réticente à travailler avec l'industrie.

HA : Est-ce la crise pétrolière de 1973 qui a contribué à anoblir le rapprochement entre science et industrie ?

PH : Oui. Du fait de notre préoccupation entre propriétés physique et composition, nous avons été conduits à travailler sur des composés non-stœchiométriques d'intercalation et nous avons constaté après 1973 qu'il y avait possibilité d'intercalation ou désintercalation à basse température grâce à l'électrochimie comme on le faisait aux Etats Unis. Exxon et Bell étaient plus concernés que nous par la crise de l'énergie.
Les recherches sur la conductivité ionique ont été encouragées par la crise de l'énergie. Après la zircone déjà exploitée par Nernst, puis étudiée par la NASA et par Collongues ; il y avait eu AgI. Puis il y a eu l'alumine-b qui a suscité de nombreux travaux. CGE a dépensé beaucoup d'argent. L'alumine-b est un matériau très particulier. J'étais très sceptique. On a abaissé la température de fonctionnement, mais c'est encore trop haut pour un véhicule électrique. Et puis le soufre attaque la membrane. Finalement on a renoncé, pensant qu'avec des batteries au lithium on irait plus loin. Les derniers efforts de développement visaient plutôt le stockage d'énergie en période creuse. Les nasicons eux ne sont pas attaqués et ils présentent un avantage au plan fondamental car leur structure est plus simple. Ils ont de bonnes performances, qu'on pouvait maîtriser avec une juste proportion de sodium.

HA : Pouvez vous évoquer vos travaux sur la conduction ionique ?

PH : Avant 1973, on a publié un grand nombre de documents sur des conducteurs ioniques. On s'inspirait comme modèle de réflexion des bronzes de tungstène bien que la plupart des travaux publiés à l'époque fussent des études structurales et que les bronzes de tungstène soient métalliques. On avait également préparé une série de nouveaux bronzes de tungstène. Ce travail s'est étendu à des bronzes oxyfluorés, à des bronzes de vanadium et de molybdène contenant les deux cations vanadium et molybdène plus le sodium et le lithium. Puis au début des années 1970, on s'est attaqué aux premiers bronzes de manganèse NaxMnO2 et puis aux bronzes de cobalt KxCoO2.
Sur ces entrefaites il y a eu la grande crise pétrolière de 1973. Les pays occidentaux ont eu peur de manquer d'énergie et donc on s'est occupé de sources d'énergie non fossile et de stockage d'énergie. Un certain nombre de gens ont voulu faire des batteries. Exxon et la Bell Telephon, Whittingham et Murphy en particulier, ont travaillé sur ces matériaux non plus comme nous l'avions fait vers 500°C avec des phases en équilibre thermodynamique mais à basse température par intercalation ou désintercalation électrochimique.
Une spécialité à Bordeaux c'était les fluorures conducteurs. On remplaçait systématiquement l'oxygène par du fluor parce qu'il a la même taille et présente une liaison plus faible. On pouvait ainsi atténuer les interactions magnétiques. Comme pour la zircone, on dope les fluorures systématiquement. Watanabe avait déjà préparé les premières batteries au fluor.
Jean Rouxel s'était intéressé à l'époque où il était mon élève aux sulfures, aux sulfures à couche en particulier. Entre les couches de FeOCl et FeSCl par exemple, on pouvait intercaler beaucoup de choses, comme l'ammoniac ou les amines. Jean Rouxel a préparé NaxTiS2, un matériau qui avait été préparé par Rudorf à Fribourg, qui le considérait comme une curiosité. Mais Rouxel a très vite réalisé qu'il devait y avoir un domaine d'existence. Or il s'est avéré que Li xTiS2 avait un large domaine d'existence. Jean Rouxel a poussé dans cette voie et il a étudié un grand nombre de sulfures et sélénures à feuillets alors que nous nous intéressions plutôt aux oxydes. Il y avait une sorte d'accord empirique entre nous : Nantes les sulfures, Bordeaux, les oxydes. Nous avons étudié des matériaux sur le plan de la synthèse, dans des conditions d'équilibre thermodynamique plus que par intercalation désintercalation.
Il y a une grande variété de méthodes topologiques ou non de relative basse-température qui permettent d'obtenir des matériaux nouveaux. Mettre un mélange très fin de poudres sous hautes pression pour que se déclenche une réaction brutale qui prend fin lorsque l'un des deux constituants initiaux a disparu. Donc c'est un échauffement brutal suivi d'une trempe. Ce qui permet d'obtenir des borures ou des silicium stables seulement à haute température.
Beaucoup de ces matériaux sont métastables mais on peut les utiliser dans des dispositifs.
Jean Rouxel a apporté beaucoup dans le domaine des réactions d'intercalation-désintercalation. Les oxydes lorsqu'on les désintercale perdent des électrons cationiques. C'est une oxydation cationique. Lorsqu'on part de LixCoO2 vers CoO2 on perd des Li+, mais on perd également des électrons qui proviennent des niveaux d. Mais pour les séléniures, ce sont les niveaux anioniques qui sont les plus élevés. Et lorsqu'on oxyde, c'est l'anion qu'on oxyde. On passe de Se2- à Se- et de Se- à Se pour des raisons de stabilité de liaison. Et Jean Rouxel a montré qu'il y avait une évolution graduelle pour les éléments 3d à l'état de sulfure entre TiS2, qui a une structure à couches, et CuS2 qui a une structure avec un ion S de type pyrite. Il a fait une analyse précise dans les cas douteux où les niveaux cationiques et anioniques sont à peu près de même énergie. L'analyse très fine des distances inter-atomiques lui a montré si c'était le cation ou l'anion qui était oxydé. Il a également fait beaucoup de choses sur les bidimensionnels qui sont ici hors sujet.

HA : Qu'est-ce qui a manqué en France alors que les compétences étaient là pour donner l'impulsion sur les batteries au Lithium ?

PH : Il y a un très grand nombre de batteries réversibles au lithium pour des applications diverses depuis les montres jusqu'aux batteries de taille moyenne utilisées par les militaires pour observation spatiale avant bombardement. Mais le marché important, c'est le véhicule électrique, non polluant. Du moins en partie car on s'est résigné au véhicule hybride. Le véritable marché ce serait la voiture électrique -éventuellement hybride- ce qui suppose des batteries de grande taille. Probablement l'électrolyte sera un polymère PEO imprégné d'un sel de lithium avec un gros anion, type matériau Armand. La cathode sera probablement riche en cobalt ce sera un matériau voisin de LixCoO2, plutôt un oxyde qu'un sulfure parce que la tension est plus élevée. Mais pour l'anode ce n'est pas encore évident. Si on pouvait faire mieux que les composés d'intercalation du lithium on serait content. Mais actuellement il n'y a pas encore de solution. Il y a donc premièrement un problème de matériau qui freine cette évolution. Deuxièmement il y a un problème de prix. Ajoutez à cela qu'une batterie au lithium doit être scellée car le lithium est sensible à l'atmosphère et vous voyez que ce n'est pas évident. Une solution concurrente est la batterie hydrogène consistant à stocker l'hydrogène dans un alliage métallique et puis à libérer l'hydrogène. Ce modèle permet des puissances plus élevées que la batterie au lithium mais là aussi il y a un problème de vieillissement car après un certain nombre de cycles, l'alliage s'oxyde car l'oxyde est plus stable que l'hydrure. Ce problème n'est pas encore résolu avec un coût acceptable pour l'utilisateur. A cet égard, il y a une coupure entre le scientifique et l'utilisateur.

HA : Concernant les relations entre physique et chimie qu'est-ce qui a favorisé le rapprochement ?

PH : Les physiciens ont fait des efforts pour parler un langage plus proche de celui des chimistes. J'ai parlé déjà de John Goodenough. Nevil Mott aussi était un homme qui s'exprimait dans un langage compréhensible pour un chimiste. Par exemple, lorsqu'il a obtenu des transitions isolantes par changement de composition au sein d'un domaine d'existence, on comprenait ses préoccupations et il comprenait les nôtres bien qu'on raisonne sur des modèles un peu différents. On est ainsi arrivé à préparer dans des bronzes de tungstène oxyfluorés des matériaux qui sans changement de structure manifestaient une transition métal-isolant. Les physiciens ont fait des progrès. L'équipe de Friedel était très préoccupée de parler un langage qui nous était commun. Je pense à Denis Jérôme, Claude Berthier à Grenoble.

HA : Le travail de physiciens sur la caractérisation très fine vous a-t-il aidé ?

PH : Je me souviens de discussions à Orsay sur les hexaborures. Les physiciens voulaient des matériaux qu'on appelait thermo-ioniques - mais c'est un mot malheureux : on devrait plutôt dire thermo-électronique - c'est à dire ayant un faible potentiel d'ionisation et susceptibles de cracher un jet d'électrons relativement puissant sous tension faible. On en a fait une étude systématique et on a essayé de préparer des cristaux.

HA : Et quel était l'enjeu ?

PH : L'enjeu était d'avoir ponctuellement un faisceau d'électrons puissant, par exemple pour des soudures, des soudures localisées. Outre la collaboration avec les physiciens d'Orsay on a aussi collaboré avec ceux de Grenoble. Plus que ceux d'Orsay, les physiciens de Grenoble avaient un langage très compréhensible. Il y avait un grand homme à Grenoble, Louis Néel. Il avait publié son travail sur le ferrimagnétisme en s'appuyant sur des modèles structuraux très clairs. La répartition des cations entre les sites tétraédriques et les sites octaédriques de la structure spinelle. Donc on comprenait pourquoi on avait des interactions d'abord anti-ferromagnétiques - ce qui constitue la base du ferrimagnétisme - entre des sites tétraédriques A et des sites octaédriques B, et pourquoi l'aimantation résultante était accrue lorsque le réseau prévalent contenait des cations avec beaucoup d'électrons d célibataires. Tous ces travaux - encouragés par les recherches militaires - ont permis une collaboration très fructueuse avec Grenoble. Je pense à Bertaut en particulier. Nous avons été encouragés, par exemple, à faire des études basse-température par Pauthenay qui nous a dit : c'est aux basses- températures qu'on détecte les phénomènes peu énergétiques.
Alors c'est l'époque où nous avons manqué le prix Nobel - Je dis cela en plaisantant, bien sûr !-. Nous avons préparé les premiers oxydes purs de Cu3+ : par exemple SrLaCuO4. Nous avions une telle habitude des solutions solides qu'on pouvait imaginer de préparer une solution solide avec La2CuO4 contenant du Cu2+. Mais pour nous, les solutions solides, c'était du travail secondaire. On cherchait à préparer des oxydes purs. Si on avait été préoccupé des solutions solides on aurait pu trouver des oxydes contenant à la fois du cuivre Cu 2+ et 3++. Comme par routine on caractérisait tous nos matériaux jusqu'à la température de l'hélium liquide, on aurait trouvé la supraconductivité. On ne l'a pas fait parce qu'on voulait des phases pures et non pas des solutions solides.
Bernard Raveau l'a fait avant Alex Müller. Il avait un objectif : comprendre ce qui se passait au point de vue des corrélations. Passer d'un semi-conducteur à un métal. Müller était un très grand physicien. Il a été surpris aussi mais il a tout de suite expliqué. Raveau a fait ses solutions solides. C'est même moi qui ai transmis sa publication au M[aterials] R[esearch] B[ulletin] mais j'ai regretté à l'époque qu'il n'ait pas fait de mesure à l'hélium liquide.

HA : Après avoir évoqué vos collaborations en France, pourriez vous parler de vos liens avec l'étranger ? Vous avez été précurseur pour les relations scientifiques avec les pays en voie de développement comme la Chine, le Maroc et l'Inde. Quelles étaient vos motivations ? Comment voyez-vous la science des matériaux dans ces pays ?

PH : J'ai toujours été persuadé que la science devait être internationale. Cela me distingue de beaucoup de mes compatriotes. Je suis toujours étonné que l'on fasse des quêtes pour aider la recherche en France sur le SIDA. Toute la recherche sur le SIDA, toute recherche de pointe est internationale et ce n'est pas parce que la France dépensera un peu plus d'argent que nécessairement, il y aura des progrès significatifs. La science doit être internationale.
J'ai donc eu des liens d'abord avec les pays développés car dans ce type de relation on se fait connaître mais aussi on apprend. Je suis allé souvent aux Etats Unis, moins par enthousiasme culturel, que parce qu'on y rencontre des gens de qualité. J'ai rencontré Goodenough, Al Cotton... j'ai rencontré à Berkeley ou à Stanford des gens de grande qualité. J'ai eu des relations suivies pendant un temps avec la Grande Bretagne mais les Anglais ont un sentiment de quant à soi. J'espère qu'avec le temps la Grande Bretagne va évoluer vers une intégration dans l'Europe. Les Allemands sont très favorables à cette intégration. Dès 1961 j'avais pris l'initiative d'emmener tout mon laboratoire en Allemagne pour un voyage de 15 jours. On est allé à Stuttgart, Karlsruhe, Heidelberg, Darmstadt, Giessen, Göttingen etc.. On a été très bien reçu par Wilhelm Klemm avec qui j'ai toujours entretenu d'excellentes relations. Mais ses élèves étaient jaloux. Les Allemands se sont sentis bousculés parce qu'un peu jaloux de gens qui faisaient beaucoup de bruit. Ils avaient une bonne tradition de chimie préparative, en relation avec l'industrie. Les Allemands ont compris que pour faire des matériaux nouveaux il fallait des techniques nouvelles comme la haute pression. Mais leur but c'était la performance tandis que le nôtre c'était de stabiliser des structures électroniques peu usuelles, grâce à la synthèse. Les Allemands se sont senti un peu gênés. Les gens leur disaient : vous utilisez des équipements de haute pression mais ce que vous faites c'est de la botanique alors qu'il faudrait réfléchir. Le but d'un équipement est de faire des matériaux à façon pour répondre à des problèmes déterminés. Les collègues allemands avaient un autre point de vue et je regrette qu'il n'y ait pas eu davantage de liens.
En revanche, toujours parmi les pays développés, j'ai eu beaucoup de liens avec l'Europe de l'Est. Pour deux raisons. D'abord, il y avait des gens de qualité chez les Soviétiques, les Polonais et les Tchèques. De plus j'étais un peu agacé de cette Europe coupée en deux du fait de la guerre froide. Donc je trouvais raisonnable qu'il y ait une présence de la France là où c'était relativement facile, c'est à dire la science. C'était intéressant pour eux et pour nous car nous avons eu de ces pays des personnes remarquables. J'ai eu des relations systématiques avec des laboratoires à Prague, Cracovie, à Moscou, à Kiev, Novosibirsk, à Sofia. Avec la Roumanie, c'était impossible car Madame Ceaucescu interdisait aux scientifiques de discuter avec des étrangers.
Avec les pays en voie de développement, la situation change d'un pays à l'autre. J'ai eu des relations avec le Maroc parce que l'université de Bordeaux et l'université de Rabat avaient des liens traditionnels. Je suis allé y faire cours. Il y avait de très bons étudiants je les ai encouragés à faire une thèse. Le nombre a crû considérablement. 30 ou 35 Marocains ont fait des thèses avec moi. J'avais une politique de sélection impitoyable ; je prenais les meilleurs et je les surpayais. Je voulais qu'ils n'aient pas de souci matériel pendant leur thèse. J'ai eu des liens plus occasionnels avec la République du Congo et quelques Tunisiens mais ils préféraient Marseille.
Avec la Chine j'ai fait un choix politique. J'ai compris que la Chine était un potentiel économique et humain. La France devait être présente à un moment où la Chine était exclusivement tournée vers les Etats-Unis. Je suis allé souvent en Chine. J'ai fait venir des étudiants chinois en les choisissant bien sûr excellents. Mes espoirs ont été dépassés par le succès car ils ne sont pas retournés en Chine mais partis au Canada ou aux Etats-Unis comme professeurs ou dans l'industrie. Ils se sont bien débrouillés. Maintenant c'est différent ; une majorité d'étudiants chinois reviennent en Chine.
L'Inde est aussi un pays avec lequel j'ai eu des relations. C'est une société où le savoir est respecté, une science de caste malgré l'abolition officielle des castes. Thaïlande, Malaisie, Indonésie...j'ai privilégié les pays asiatiques par rapport aux pays africains car la culture asiatique favorise la réflexion métaphysique et par conséquent scientifique. Néanmoins j'ai eu aussi des collaborations avec le Brésil, le Chili et l'Argentine. Le but étant d'aider ces pays dans leur développement industriel. Je suis d'ailleurs membre de l'Académie des sciences brésilienne depuis 1988.
Vis à vis des étudiants du tiers monde, j'ai toujours considéré comme ma responsabilité de leur donner une thèse originale et non pas, comme on le fait souvent, de leur faire remplir des vides dans le laboratoire ou de servir de main d'œuvre. Les étudiants du tiers monde que l'on fait venir en Europe il faut bien les choisir et bien les former pour qu'ils deviennent des maîtres.

HA : Je serai curieux de connaître votre point de vue sur l'évolution de la chimie des matériaux et le rapprochement avec la biologie.

PH : Je ne me sens pas compétent dans l'interface chimie/biologie. Mais mon expérience à l'interface physique et chimie me rend plutôt sympathique cette perspective d'une ouverture de la chimie vers la biologie. Elle est défendue par Pierre Pottier, Guy Ourisson, Corriu.
Sur l'interface physique/chimie, cela s'est moins bien passé. Peut-être que je n'ai pas su convaincre. Quand on prêche, on se fait des adeptes mais aussi des ennemis. Cela est vrai au CNRS. Celui qui prêche secoue les caciques, les gens en place. Quelqu'un comme Fernand Gallais était fermement hostile à mon projet d'interface avec la physique. Par contre j'ai rencontré beaucoup de sympathies du côté de Pottier, de Jacques Livage.
Pour revenir aux oxydes supraconducteurs, il s'agit d'un cas intéressant de collaboration entre physiciens et chimistes. Très vite, j'ai compris que l'on avait plafonné et puis à un moment donné il était clair que Tc était d'autant plus élevé que la bande de conduction était plus étroite. Et plus la bande de conduction est étroite plus le matériau est instable et a tendance à se dismuter en donnant un mélange de deux phases. J'ai compris cela très vite mais beaucoup ne l'ont pas compris. Il y a donc eu un emballement. Il a rapproché les chimistes des physiciens. Il est dommage que personne n'ait proposé un modèle simple permettant aux chimistes d'innover de manière simple comme on avait innové dans le domaine de la conductivité ionique, du magnétisme, de la ferroélectricité, des magnéto-optiques ... ou même des composites thermo-structuraux. Il a manqué quelqu'un qui propose un modèle intuitif liant les propriétés à la liaison chimique. Goodenough aurait pu le faire mais il était trop vieux, trop pressé de publier des matériaux miracles. Les matériaux miracles sont difficiles à reproduire. Celui qui essaie il n'a pas le même four ... Ces matériaux sont métastables, ils ne sont jamais parfaitement purs. Ils n'ont jamais le même nombre de lacunes d'oxygène. Donc ce n'est jamais parfaitement répétitif. Cela exclut toute réplication sérieuse parce qu'un matériau n'est utilisable industriellement que s'il est relativement simple à préparer et à utiliser. Telle est la raison de l'échec de la diode Josephson sur laquelle IBM a dépensé beaucoup d'argent. A l'époque j'étais d'ailleurs conseiller d'IBM.

BBV : Est-ce qu'il y a eu des matériaux sortis de vote laboratoire qui ont été industrialisés ?

PH : Il y a d'abord eu les varistors. J'ai fait beaucoup avec la Thomson CSF dans ce domaine. Il y a eu LixCoO2 et puis il y a les céramiques composites de R. Naslain : fibres de carbone infiltrées par SiC qui permet de travailler à des hautes températures pour les matériaux de rentrée de la fusée ou du satellite dans l'atmosphère. Car lorsque l'engin revient dans l'atmosphère, il y a un risque d'oxydation. L'astuce consistait à infiltrer - non pas déposer en surface - SiC à partir d'une phase vapeur. Alors à l'air SiC s'oxyde en donnant SiO2 qui s'infiltre dans le matériau à base de carbone et permet de le prolonger.

BBV : Pourriez vous préciser quelles étaient vos relations avec l'industrie et comment elles ont évolué ?

PH : J'ai toujours eu des relations avec l'industrie. Quand j'étais à Rennes j'ai été contacté par Raymond Paul, un des responsables de la recherche à Rhône Poulenc et il m'a vivement encouragé à travailler avec Rhône Poulenc. J'ai eu plusieurs bourses de thèses payées par l'industrie - parfois il fallait publier des résultats plus tard. Rhône Poulenc a payé la thèse de Michel Pouchard sur les bronzes de vanadium au début des années 60. Ensuite il m'a paru tout naturel de travailler avec l'industrie. J'ai travaillé avec Saint-Gobain sur les verres, en particulier sur les verres conducteurs du lithium et du sodium avec Levasseur, sur les verres sulfurés à base de B2S3. Les verres sont un matériau merveilleux. Ils ont une composition qui est flexible. Vous tombez un peu à côté, cela n'a pas d'importance les propriétés ne sont guère modifiées. Vous n'avez pas le problème des matériaux cristallins où, par suite de la moindre erreur, de la moindre difficulté de préparation, une deuxième phase d'impuretés se forme à côté. Là il vous reste une phase. D'autant plus qu'on peut préparer les verres par trempe brutale donc énormément de matériaux sont vitreux alors qu'il y a 30 ou 40 ans c'était différent.
J'ai eu beaucoup de liens avec l'industrie locale : Aérospatiale et SNECMA, avec SNPA (société nationale des pétroles d'aquitaine : ancêtre d'Elf) sur comment purifier le gaz de Lacq...Ma porte était toujours ouverte, on élargissait le champ de nos recherches à la demande car l'industrie n'est pas un boulet.

BBV : Est-ce que ces liens étaient encouragés par le CNRS ?

PH : Le CNRS était informé bien sûr. Et puis quand on est devenu un laboratoire propre en 1966 Curien était très favorable aux relations avec l'industrie. On a un des contrats avec Saint-Gobain, avec Rhône Poulenc devenu Rhodia, avec Ugine Kuhlman devenu Péchiney. Nous avons même eu des liens avec General Electric aux USA pour les borures, avec BASF sur le di-oxyde de chrome pour les bandes d'enregistrement.

BBV : Quelles sont les méthodes et techniques utilisées dans votre laboratoire ? Et comment ont-elles évolué au cours de votre carrière ?

PH : Au début le B-A-BA c'était la diffraction X. Puis pour bien comprendre la structure on a eu un équipement pour des monocristaux. On a préparé des mono-cristaux pour déterminer les structures. Maintenant on a fait de gros progrès et on peut sur des spectres de poudres lorsque la poudre est de bonne qualité déterminer la structure par les méthodes Riedveld en faisant des hypothèses simples sur la structure la plus probable. La diffraction X a été fondamentale et a débouché ensuite sur la microscopie électronique en transmission qui permet de voir les défauts locaux. C'est merveilleux. La diffraction X était une méthode à grande distance. Par contre la microscopie électronique en transmission vous donne les défauts localisés et étendus. C'est une préoccupation que j'ai eu beaucoup à propos de non-stœchiométrie. Quand on passe d'une phase perovskite ABO3 à une phase brownmillérite A2B2O5, on perd de l'oxygène. Alors à haute température les lacunes d'oxygène sont désordonnées. A température plus basse, elles s'ordonnent en fonction du cation B. Quand c'est du fer ou du gallium, un cation isotrope, on a soit des tétraèdres parce qu'il y a pas de lacune, soit des octaèdres car les lacunes marchent par deux. Donc dans une structure brownmillérite on a une séquence octaèdre,-tétraèdre, octaèdre-tétraèdre, et dans la structure perovskite c'est octaèdre-octaèdre-octaèdre. Alors on peut trouver à condition de faire des recuits à température assez basse - quelques centaines de degrés - des phases intermédiaires avec 2 couches octaèdres, 1 couche tétraèdre, 3 couches octaèdres, 1 couche tétraèdre. Et bien sûr quand on chauffe le désordre s'installe à cause de l'entropie d'empilement. On a étudié de manière systématique comment on passe de défauts isolés aux défauts ordonnés, étendus. Et cela a des conséquences au point de vue de la conductivité de l'ion oxygène. Parce que maintenant on a de nouvelles préoccupations. On veut par exemple extraire l'oxygène de l'air par des membranes de perovskite lacunaire ou détruire les traces de CO en oxydant par l'eau. Dans ce cas, vous avez CO2 - qui est quand même moins toxique que CO, sauf sur le plan idéologique - et vous avez de l'hydrogène. On utilise des perovskites lacunaires qui doivent être conducteurs de l'oxygène - ce qui est normal - mais aussi conducteurs électroniques car le transfert se fait sous tension donc il faut que les ions O2- migrent à travers les lacunes de la structure. Il y a donc un aspect pratique pour les capteurs d'oxygène, la purification des gaz. Les Norvégiens utilisent ces méthodes massivement pour transformer le gaz de la Mer du Nord en un gaz exempt de CO. Norsk-Hydro dépense des sommes considérables pour cela. J'ai été invité pour parler avec les gens impliqués par ces recherches.
Donc pour résumer : nos efforts se sont situés à l'interface entre physique et chimie et se concentraient sur l'étude des relations entre composition, structure et propriétés avec la perspective d'applications industrielles.

Fin de l'enregistrement

Pour citer l'entretien :

« Entretien avec Paul Hagenmuller », par Bernadette Bensaude-Vincent et Hervé Arribart, 12 juin 2001 Sciences : histoire orale, https://sho.spip.espci.fr/spip.php?article124.
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Entretien avec Paul Hagenmuller, par Bernadette Bensaude-Vincent et Hervé Arribart, 12 juin 2001

Lieu : Paris, France

Support : enregistrement sur cassette

Transcription : Bernadette Bensaude-Vincent et Hervé Arribart

Edition en ligne : Sophie Jourdin

BOILOT Jean-Pierre, 2000-12-12

Sophie Jourdin — 2011-10-28T12:00:58Z

Jean-Pierre Boilot worked on b-alumina in the 1970s and subsequently on ionic conductors within the framework of chimie douce.

BERNADETTE BENSAUDE-VINCENT (BBV) : Quel fut votre parcours individuel ?

JPB : Je suis entré au laboratoire Collongues en 1971, étant assistant à l'Ecole de céramique de Sèvres où j'enseignais la chimie. Mon sujet de thèse portait sur l'alumine-b plus exactement sur les gallates. On cherchait à améliorer la conduction ionique en remplaçant l'aluminium par du gallium. On connaissait, bien sûr, les travaux de Yao et Kummer et on savait déjà échanger les ions sodium par d'autres. Mais ceci n'a constitué qu'un chapitre de ma thèse qui devait en avoir 5 ou 6.
Après j'ai eu un rôle très particulier : travailler à l'interface de la physique et de la chimie. Cette expérience de collaboration de la physique et de la chimie du solide, c'était une innovation. Seul Yves Le Car avait commencé avant moi. Lui avait un financement industriel, avec CGE qui est devenu Alcatel. Cette collaboration est issue de discussions entre Robert Collongues et André Guinier qui était responsable d'un groupe de physique du solide à Orsay au bâtiment 510. Le Car a commencé à faire de la diffusion des rayons X, organisation des ions de conduction dans alumine-b. J'ai poursuivi dans cette voie. La collaboration s'est étendue. Je passais 50% de mon temps au labo Collongues et 50% en physique chez Guinier et chez Jérôme, un autre groupe de physique du solide qui faisait de la RMN. Une grande partie de ma thèse concernait des problèmes fondamentaux : comment les ions s'organisent, ordre désordre, stœchiométrie.

BBV : Quels étaient les modèles théoriques à l'époque ?

JPB : Peu de choses pour comprendre les mécanismes de conduction. C'est venu plus tard. Les physiciens durs ont attaqué le problème plus tard.
J'ai soutenu ma thèse d'Etat en 1975 devant un jury très impressionnant : Jacques Friedel, Jean Rouxel, Michel Fayard, qui est devenu directeur du secteur chimie au CNRS, Jeanine Théry et Robert Collongues. Je me souviens avoir été mauvais, je n'étais pas fier de moi.

BBV : Avez-vous poursuivi sur alumine-b ?

JPB : Oui de 1975 à 82 j'ai travaillé avec Gaston Colin, cristallographe et avec Philippe Colomban qui est arrivé au labo Collongues. Je l'avais eu comme étudiant à l'école de céramique. On a travaillé essentiellement sur deux aspects : alumine-b stœchiométrique et alumine-b''. Même type de base : compréhension, organisation des ions en utilisant les paramètres fondamentaux du solide : répulsion entre ions, transition au désordre etc.

BBV : Y avait-il alors une communauté française de chercheurs sur l'alumine-b ?

JPB : Oui, il y avait des séminaires organisés ici à Polytechnique par Bernard Sapoval->http://pmc.polytechnique.fr/bs/english.html] et Hervé Arribart. Les gens ici ont commencé à travailler sur l'alumine-b avec des porteurs de protons et ils utilisaient la RMN.
Donc si l'on fait le bilan de ces 10 ans, il y a deux caractéristiques propres à ce sujet

- C'étaient les premières recherches fondamentales menées parallèlement à la recherche industrielle car CGE en France, Ford, General Electric aux USA faisaient des recherches plus appliquées sur les accumulateurs sodium-soufre. C'était particulièrement motivant de voir qu'il y avait des possibilités d'application.
- Deuxième caractéristique : c'était la possibilité de travaux à l'interface physique-chimie. Ces deux aspects là se retrouvent plus tard dans les recherches sur les supra-conducteurs au cours des années 90.

BBV : Aviez-vous des contacts avec l'industrie ?

JPB : On avait des contacts avec CGE et on allait parfois à Marcoussis voir M. Dumas de CGE. Mais on faisait de la recherche fondamentale.
Des contacts avec l'industrie, il y en avait sans doute au labo Collongues. Mais je n'étais pas au courant. Par contre, au laboratoire Collongues, Didier Goureyet était plus proche des préoccupations industrielles, tout en étant en recherche fondamentale.

BBV : Avez-vous ressenti un certain pessimisme industriel sur l'alumine-b au cours de ces années ?

JPB : Non, il y eut une effervescence de 1970 à 76. Le pessimisme est venu après. Il y avait peut être des problèmes pour les gens qui ne travaillaient pas sur le sujet. C'est faux de dire qu'il y avait un pessimisme dans les années 70. Pour les années 80, c'est une autre histoire. Plus de problème d'énergie, d'autres problématiques sont arrivées : utiliser des systèmes. On savait que les batteries sodium-soufre ne seraient pas commerciales. Elles ne le seront peut-être jamais. Donc du point de vue industriel, c'était un tout petit peu moins motivant.

BBV : Avez-vous participé aux congrès internationaux des années 70-80 ?

JPB : Bien sûr je pourrai vous donner la liste. C'est un autre aspect important : il y avait une compétition internationale, essentiellement avec les Américains, avec les gens de General Electric - Roth - et les gens de Bell Telephon. J'ai commencé à participer en 1976 Schenectady ; 1979 Lake Geneva (USA), Gatlinburg (Tennessee) en 1981, Grenoble en 1983, Lake Tahoe en 1985 ; Garmisch en 1987. Outre cette série des Solid State Ionics il y avait Rome (1976) et Saint-Andrews en Ecosse, en 1978. A chaque fois on avait des papiers dans ces conférences.

BBV : Y-a-t-il eu une évolution ou réorientation de vos recherches sur cette période ?

JPB : On a pousuivi les mêmes pistes de recherche sur les deux alumines-b.
Philippe Colomban, chimiste, s'est consacré à l'élaboration des mono-cristaux d'alumine-b. Seuls deux groupes au niveau international savaient faire la synthèse des alumines-b : Colomban au laboratoire Collongues et Farrington chez General Electric. C'était un procédé à haute température avec quelques subtilités chimiques pour parvenir à faire l'alumine stoechiométrique. Mais il n'y eut pas de brevets sur les mono-cristaux. L'objectif était purement fondamental car les applications se faisaient sur un milieu polycristallin, céramique.
Parallèlement à partir de 1978, on a commencé à travailler sur d'autres conducteurs ioniques qui pouvaient remplacer l'alumine. Ils faisaient partie d'une série qu'on appelait nasicons : c'étaient des phosphates ou des phospho-silicates avec des ions sodium.
Le choix du sodium repose sur des arguments très simples : il faut un ion monovalent, de la bonne taille. S'il est trop gros il ne diffuse pas facilement ; s'il est trop petit (cas du proton ou du lithium) il vient se coller sur le réseau ; ou on a une interaction trop forte avec les anions (les chimistes disent trop polarisants). Les meilleurs ions sont Na+ et Ag+. Ensuite le choix dépend des applications. A cette époque là le problème était le stockage d'énergie, on visait des accumulateurs de haute puissance pour faire du stockage. Les critères de densité d'énergie massique portaient le choix sur les éléments légers, donc le sodium plutôt que l'argent.

BBV : Est-ce que la crise d'énergie a infléchi les recherches au labo Collongues ?

JPB : Peut-être mais à cette époque j'étais trop concentré sur ma thèse et je n'avais pas de vue d'ensemble. Pour revenir aux applications, les nasicons ont eu moins d'intérêt car ils sont moins stables, ils résistent moins bien au sodium liquide. Ils n'ont pas eu le succès de l'alumine-b mais des gens travaillent encore dessus. Il y a eu beaucoup de travail sur cette famille : diversité de compositions et de phases. Elle présente un intérêt pour la compréhension des paramètres fondamentaux du solide mais moins que l'alumine-b.

BBV : Rétrospectivement considérez vous que ce travail sur les nasicons a été positif ?

JPB : Oui on aurait peut-être pu arrêter un peu plus tôt. On a travaillé là dessus de 1978 à 1984 mais toujours en parallèle avec l'alumine-b. C'est un travail qui se faisait à Polytechnique où je suis venu en 1981. C'est un sujet qu'on a développé ici avec Colomban, toujours en liaison avec les physiciens du solide (Collin) d'Orsay dans le groupe de Robert Gomès qui avait pris la succession de Guinier.
Après on a pris un virage vers les sols-gels. La transition s'est faite par le biais des nasicons. On avait dans l'idée d'élaborer des phases amorphes pour conducteurs ioniques. Elles étaient dérivées du nasicon. On a préparé les premiers verres organo-minéraux en s'inspirant des conducteurs ioniques type nasicons. Notre modèle à nous était le conducteur ionique. Puis on a eu des résultats intéressants sur ces matériaux, sans rapport avec la conduction ionique. Ces hybrides organo-minéraux, à la frontière entre organique et minéral sont faits à température ambiante avec une chimie douce.

BBV : N'est-ce pas un paradoxe que de la chimie à haute température du labo Collongues sorti une chimie à température ambiante ?

JPB : Oui à la même époque Jacques Livage faisait des gels V205.

BBV : Qu'est-ce qui a motivé votre virage vers les verres ?

JPB : Du point de vue industriel, l'alumine-b c'était moins motivant et, du point de vue fondamental, on avait fait le tour. De plus, je démarrais un groupe ici à Polytechnique, c'était le moment de passer à un nouveau projet.

BBV : Est-ce que ce virage vers les verres organo-minéraux a changé votre place dans la recherche ?

JPB : Au niveau du CNRS, non, car on appartient toujours à la famille chimie du solide. Mais on a eu des contacts industriels nouveaux avec Saint-Gobain (Silor). Bien sûr pendant deux ans, on a eu un peu de ralentissement dans la production de publications. Mais le virage se fait bien.

BBV : Quelles sont les activités de votre laboratoire actuellement ?

JPB : Actuellement on est toujours sur la chimie douce. En plus des hybrides organo-minéraux, on travaille sur des objets nanométriques. On part de molécules et on essaie de construire des solides à partir de ces molécules. Ce sont essentiellement des matériaux pour l'optique : lasers ou stockage de l'information optique.

BBV : Quelles sont les techniques que vous utilisez ? Sont-elles totalement différentes de celles qu'on utilisait au laboratoire de Collongues ?

JPB : C'est de la chimie classique avec des béchers mais pas de haute température. C'est bien différent des labos d'alumine où on avait des fours à 2000°C. Le labo Collongues était surtout tourné vers l'élaboration de matériaux alors que maintenant on fait surtout de la caractérisation. Comme maintenant on dispose de nombreuses techniques, on peut faire des thèses sur la caractérisation avec peu de chimie.
Ce que m'a appris l'alumine-b c'est qu'il faut faire de la chimie. C'est le matériau qui est intéressant. C'est le message le plus important. Toutes les avancées qu'on a eues au laboratoire Collongues, c'est parce qu'on a su faire de la synthèse de matériaux avant et mieux que les autres. Notre premier travail est de faire de l'innovation en matériaux, mais on a beaucoup de collaboration en physique.
Notre troisième thème est la pile à combustible. Il est arrivé avec un ancien du laboratoire de Collongues : Philippe Barboux. Il travaillait sur les films minces de céramique et prépare maintenant des membranes conductrices ioniques pour les piles à combustibles. C'est donc un retour à la tradition d'origine.
Mais il y a un lien entre les verres, les particules nanométriques et les piles à combustibles. Ce sont toujours des procédés à basse-température. On travaille sur la diffusion de molécules comme autrefois on travaillait sur la diffusion des ions.

BBV : Combien de personnes travaillent dans votre groupe ?

JPG : Actuellement notre groupe de chimie du solide comprend 10 personnes et il est l'une des composantes de l'UMR-CNRS intitulée Laboratoire de Physique de la matière condensée qui comprend 50 personnes.

BBV : Quels sont vos liens avec l'étranger ?

JPB : Nous avons gardé des relations avec Bruce Dunn de UCLA (nous avons ici un chercheur permanent qui a fait son post-doc là bas). Nous avons également une collaboration avec un laboratoire allemand. Pas de programme européen, c'est trop de paperasses.

BBV : Comment voyez-vous la chimie du solide française sur la scène internationale ? Est-ce qu'elle n'a pas d'une certaine manière fait obstacle à l'essor d'une science des matériaux en France ?

JPB : C'était suite au démarrage de la physique du solide. Il y a avait a deux pôles de chimie du solide en France, celle de Hagenmuller à Bordeaux et celle de Collongues à Paris. L'une plus mandarinale que l'autre. Des gens comme Rouxel, je les mets dans la famille Hagenmuller. En fait, si on prend les labos actuels de chimie du solide, ce sont tous des descendants d'Hagenmuller ou des descendants de Collongues.
Les deux écoles sont tournées vers la science fondamentale plus que vers les applications. C'est totalement différent de l'approche science des matériaux aux USA. Elle n'existe pas en France. L'approche Materials Science est plus tournée vers les applications. En France, il y a eu beaucoup de recherche fondamentale. L'originalité française n'est pas dans la collaboration avec l'industrie mais dans l'approche physique, dans la collaboration entre chimistes et physiciens du solide. Je défends l'approche française. Si les gens avaient été très proches du milieu industriel, je ne crois pas qu'on aurait été aussi forts en chimie du solide.

BBV : Peut-on associer une coloration politique à cette discipline ?

JPB : Traditionnellement en France, les physiciens sont plutôt à gauche et les chimistes plutôt à droite. Quant à la couleur de ces deux écoles de chimie du solide, je dirais que Hagenenmuller était un gaulliste bon teint ; il serait plutôt proche de Pasqua aujourd'hui ; Collongues, lui, était plutôt centre droite, bon vivant.

Fin de l'enregistrement

Pour citer l'entretien :

« Entretien avec Jean-Pierre Boilot », par Bernadette Bensaude-Vincent, 12 décembre 2000 Sciences : histoire orale, https://sho.spip.espci.fr/spip.php?article121.

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Entretien avec Jean-Pierre Boilot, par Bernadette Bensaude-Vincent, 12 décembre 2000

Lieu : Ecole polytechnique, Palaiseau, France

Support : non communiqué

Edition en ligne : Sophie Jourdin

FRIEDEL Jacques, 2001-10-17

Sophie Jourdin — 2011-09-19T08:25:40Z

Jacques Friedel, born in Paris, February 11, 1921, entered the Ecole polytechnique (1944-46) then the Ecole nationale supérieure des mines (1946-48). He thus followed up the family tradition starting with his great-grand father Charles Friedel, a famous organic chemist and crystallographer at Paris Sorbonne, his grand-father Georges Friedel best known for his work on liquid crystals, his father Edmond Friedel who was the director of the National School of Mines (1937-65). Jacques Friedel obtained a Licence ès sciences degree at the University of Paris in 1948, then was initiated to physical metallurgy in the Metallurgy Laboratory of the School of Mines headed by C. Crussard. He spent three years at Bristol University (UK) in Nevill F. Mott's physics department. There he became acquainted with the electronic structure of metals and with dislocations, a topic developed by Charles Frank. In 1952 he got a PhD. from Bristol and a Doctorat d'Etat in Paris in 1954 on the electronic structure of impurities in metals.
In 1956, he became assistant professor at Paris University, then full professor of Solid State Physics at Paris Sud in Orsay from 1959 to 1989. For thirty years he developed a research school in solid state physics, authored a volume Les dislocations (Paris, Gauthier Villars, 1956, 2nd ed. Dislocations, Pergamon, 1964) and more than 200 journal articles. His original contributions dealt with various branches of solid state physics, in particular the electronic structure of metallic alloys and of metals, the structure of surfaces of dislocations and of clusters.

Jacques Friedel chaired the Consultative Committee to the French Government for scientific and technological research (1978-1980), was the President of the Société française de physique and of the European Physical Society. Among many responsabilities in French scientific institutions, Jacques Friedel became the President of the French Academy of Sciences (1992-1994)

Pour citer l'entretien :

« Entretien avec Jacques Friedel », par Hervé Arribart et Bernadette Bensaude-Vincent, 17 octobre 2001, Sciences : histoire orale, https://sho.spip.espci.fr/spip.php?article80.

JACQUES FRIEDEL (JF) : Je voudrais commencer par quelques remarques générales que m'inspire votre projet.
La première concerne la notion de matériaux. Le terme et ce qu'il représente pour l'enseignement comme pour la recherche font partie d'une évolution générale des universités après la Deuxième Guerre mondiale. Il faut se rappeler, en effet, que jusqu'à cette époque et au delà, les départements universitaires étaient définis par grands secteurs - mathématiques, physique, chimie, biologie, géologie, astronomie - à l'intérieur desquels les « chaires » professorales de spécialité étaient définies, en physique du moins, par la nature de l'instrumentation employée : cristallographie (c'est-à-dire rayons X), acoustique, optique, thermodynamique, etc. En chimie, par contre, l'opposition entre minérale et organique était transcendée par le développement plus récent de la chimie physique qui, avant guerre, avait tendance à couvrir le futur domaine des matériaux. Ces subdivisions existaient aussi dans les organismes de recherche comme le CNRS. Le développement des applications pratiques de la physique nucléaire comme des grands laboratoires de recherche industriels (Philips, GECO, Bell, IBM) avaient fait éclater ces divisions et montré la nécessité de repenser l'organisation de la recherche comme de l'enseignement.

C'est dans ce contexte lors d'une réunion de l'American Physical Society que Roman Smoluchowski a le premier, je crois, proposé le développement d'instituts de recherche et la création d'une société (américaine) centrée sur l'étude des matériaux. Elle devait regrouper chimistes, physiciens, mécaniciens et aussi cristallographes et métallurgistes alors dispersés dans diverses sociétés.
Cette proposition avait une résonance évidente dans les grands laboratoires appliqués, relevant soit de l'industrie soit d'organismes d'Etat. Mais elle était trop extrême pour la recherche universitaire. Celle-ci avait commencé à se réorganiser à l'intérieur de la physique comme de la chimie, en départements distincts mais spécialisés autour des particules et des noyaux, des atomes et des molécules, et finalement des solides. Pour ces derniers Bristol, avec N.F. Mott et bien d'autres, a été un premier noyau conscient et organisé, dès avant la guerre. Mais la personnalité de F. Seitz, auteur du premier livre sur la physique de l'état solide, a joué un grand rôle, avec la création au début des années 50 de son département de physique à Urbana (Illinois). De la même époque, datent l'Institut de physique des solides de Tokyo et le groupe de physique des solides de Pierre Aigrain à l'Ecole normale supérieure (Paris). Notre laboratoire de physique des solides a été fondé à Orsay en 1959. Le Max Planck de Stuttgart (Physique et chimie des solides) et le laboratoire correspondant du centre nucléaire de Jülich (Allemagne) datent des années 1960. Enfin, en France, le développement des 3° cycles universitaires à partir de 1955 s'est fait en physique et (sauf pour la cristallographie) suivant le même découpage. Peu après, le CNRS suivait la même voie pour réorganiser ses commissions avec une section « physique des solides » remplaçant, à ma suggestion, l'électronique, la thermodynamique et l'optique des solides. Toutes ces réformes confortaient le découpage des universités comme des organismes type CNRS ou Max Planck en domaines disciplinaires de physique, chimie, mécanique etc. Ce grand découpage sera maintenu dans la réforme Fouchet de l'université française en 1968. Elle supprimait en physique quelques vieilles chaires remplacées par des enseignements plus modernes, vus d'un point de vue plus général. Cette évolution s'est poursuivie dans les années 70 avec le passage vers 1975 de physique des solides à physique de la matière condensée. En Europe, ceci a permis de regrouper dans une même division de European Physical Society les gens des solides et les gens des liquides - sans oublier les cristaux liquides et les polymères remis à l'honneur par Pierre-Gilles de Gennes et d'autres. En France, le changement de dénomination a permis aussi aux cristallographes de rentrer dans le rang au CNRS, par la création de deux sections de matière condensée, au prix d'une séparation regrettable entre aspects atomiques et aspects électroniques.
C'est donc dans ce contexte général qu'il faut juger le développement du concept de matériaux. Aux USA, la création au milieu des années 60 d'instituts universitaires des matériaux - dont seuls certains ont survécu - a été présentée et jugée comme une tentative d'introduire l'interdisciplinarité dans un milieu encore dominé par le découpage en départements de grandes disciplines et par l'individualisme des enseignants, souvent encore instables et toujours dépendants de contrats personnels de recherche.
En France, les matériaux ont émergé officiellement en 1970-71. J'étais alors le premier président physicien (et non chimiste) d'une Action Concertée en Métallurgie de la DGRST (Délégation générale à la recherche scientifique et technologique, précurseur du ministère de la recherche). Cette action, comme bien d'autres en électronique, par exemple, avait pour but de favoriser l'octroi de contrats de 3 ans, des travaux en commun de laboratoires différents, appartenant si possible à l'université et à l'industrie. Sous la poussée du vent de réformes post-1968, la commission de cette Action concertée a bâti un programme d'enseignement des matériaux, animé par mon cousin et premier patron Crussard, alors de retour d'un voyage aux Etats Unis et membre de la Commission. Ce programme, qui accordait une place prépondérante aux matériaux de structure, a été immédiatement adopté par les écoles d'ingénieurs impliquées dans ce domaine (métallurgie, plastiques, céramiques). Il y a eu aussi la création de DEA universitaires en matériaux en province comme à Paris. Le rapprochement entre physiciens et chimistes, comme les débouchés industriels ont été jugés positifs. Les cristallographes y ont souvent vu une manière de s'épanouir, de former des gens qui iraient plus facilement dans l'industrie. En se séparant en 1971, cette Action Concertée de Métallurgie a laissé un rapport émettant le vœu qu'une Action Concertée Matériaux pour la recherche lui succède, en suggérant un premier programme. Sous la direction de Pierre Aigrain, ce projet a été accepté par la DGRST. Le CNRS a suivi très rapidement en créant les premiers programmes de recherche intersectoriels, destinés à jeter des ponts entre les départements. Celui des matériaux, l'un des plus importants et des plus stables, a longtemps été dirigé par Jean Hanus.

Ce démarrage des matériaux reste relativement modeste. En France, comme aux USA, il concerne surtout l'enseignement des écoles d'ingénieurs et de certains DEA. Il se réduit bien souvent à une alliance entre métallurgistes et physicochimistes dans une perspective d'ingénieurs. L'électronique reste au départ en dehors du mouvement.
Je pense que l'importance qu'ont prise graduellement les matériaux est venue principalement de ce que c'était un terme commode pour couvrir une large gamme de recherches à la fois interdisciplinaires et débouchant sur des applications pratiques, dont on pouvait affirmer l'importance pour la société et garantir d'un mot le secteur dans les plans et les budgets. C'est incontestablement ce qui s'est produit en France comme à Bruxelles (siège de l'Union européenne) dans les années 1980. La situation a dû être similaire aux USA. Cela explique le ralliement des gens de l'électronique et des semiconducteurs à cette époque.
Ensuite le mouvement s'est affermi avec la création de la Materials Research Society (1973) dont la branche européenne, animée par des physiciens nucléaires de Strasbourg, s'est développée nettement plus tard. La réponse des sociétés de métallurgie en Europe a été de se transformer en sociétés de matériaux et de se fédérer à l'instigation des Britanniques, pour faire front à l'impulsion venue des USA. Même dans la Materials Research Society, on peut noter que des réunions plus « électroniques » alternent avec des réunions plus « atomiques » !
Pour moi, la conclusion est claire : si un minimum de connaissances communes est nécessaire pour tous les gens actifs dans les matériaux, et s'il est utile qu'ils fassent front commun pour défendre ce secteur, il est moins facile de gérer au jour le jour des recherches en commun et il faut tenir compte d'autres forces et d'autres nécessités, dans l'enseignement universitaire notamment. De ce fait je ne pense pas que la notion de matériaux ait le même sens actuellement en France et aux USA.

Deuxième remarque, l'interdisciplinarité, souvent présentée comme caractéristique de la recherche en matériaux, s'est pratiquée bien avant le développement de ce terme. Ainsi la Société française de métallurgie avait, juste après la deuxième guerre, un groupe de physique du métal, présidé par André Guinier et qui réunissait dans des discussions et des colloques tout le gratin d'alors : industriels, gens des organismes, des écoles, des universités, mais aussi des physiciens, des chimistes, des mécaniciens, des cristallographes. Pendant dix ans, entre le milieu des années 60 et 70, la même Société de métallurgie a copatronné avec le CEA (Commissariat à l'énergie atomique) et l'IRSID (Institut de recherche sidérurgique), des écoles d'été annuelles fort suivies. Ces écoles d'été menées par Y. Adda (CEA), Yves Quéré (CEA, puis Ecole polytechnique), et J. Philibert (IRSID puis Orsay) réunissaient de jeunes chercheurs et des gens confirmés des universités, des organismes et de l'industrie. Elles couvraient des thèmes généraux qui seraient maintenant jugés matériaux. A partir de 1969 des groupes dits de Monestier (l'endroit où s'est tenue l'école cet été là) ont fait périodiquement le point sur l'état des recherches dans une dizaine de domaines spécialisés (défauts ponctuels, plasticité, surfaces, etc.). Ces réunions régulières sont maintenant oubliées car elles ont été publiées chacune séparément, en français, par un éditeur différent. Ce qui fait qu'elles n'apparaissent pas comme une série homogène.
L'interdisciplinarité a été aussi renforcée par les Actions Thématiques Programmées (ATP) du CNRS, assez similaires aux Actions concertées décrites plus haut mais dans des domaines plus pointus et variables. J'ai moi-même suscité et présidé des ATP sur les surfaces et sur les agrégats, qui ont fortement développé l'interdisciplinarité de ces domaines en France.
Un dernier aspect de l'interdisciplinarité est la nécessité de collaboration entre chimistes et physiciens pour produire des matériaux et en étudier les propriétés physiques. Dans certains cas, et sans parler de l'approche « matériaux », ceci a été fait sur place, dans le même (grand) laboratoire. Ce fut le cas (peut-être pas si souvent) dans les deux grands instituts de Stuttgart et de Jülich par exemple. A Orsay, notre laboratoire de physique des solides a cherché à résoudre partiellement le problème en implantant de petites équipes de chimistes d'abord dans la production d'alliages métalliques, puis de cristaux liquides, enfin de composés organiques conducteurs. Si ces groupes ont été très utiles, il a été parfois difficile de défendre leurs membres avec succès dans leur commission CNRS respective. Les grands laboratoires de chimie des solides français ont aussi acquis une compétence utile dans certaines techniques physiques.
Une solution très différente et, je pense, de plus d'avenir, est une collaboration entre deux groupes, l'un physicien, l'autre chimiste, sur le développement et l'étude de matériaux nouveaux. C'est de cette façon que Jean Rouxel (Nantes) et Monceau (Grenoble) ont découvert le courant de Frölich des ondes de densité de charge, que Beckgaard (Copenhague) et Jérôme (Orsay) ont découvert la supraconductivité organique (à la suite des travaux d'une ATP sur les conducteurs organiques), etc.
Donc pour résumer, avec la création des DEA, des écoles d'été, les ATP les enseignements et la recherche en matériaux ont été développés en France et assez actifs. Mais ce mouvement est assez difficile à saisir car l'ensemble ne s'appelait pas science des matériaux comme aux Etats Unis.

Troisième remarque : comme les matériaux sont un peu une création américaine, une dynamique américaine, il faudrait éviter de rééditer les problèmes posés par la réduction de l'histoire de la physique du solide jusqu'aux années 50. Le groupe de spécialistes qui avait initialement travaillé à ce projet - principalement anglosaxons et quelques allemands- ont fait une sorte d'hymne un peu excessif à John Bardeen, passant sous silence la plupart des contributions européennes notamment entre les deux guerres. Dans un deuxième temps, d'autres personnes ont été consultées. Alors trop occupé et voyant l'ampleur de la tâche, j'ai refilé la demande qui m'était faite à Guinier qui a pu rétablir un minimum de corrections, sur la conduction électrique des métaux (Linde) ou le magnétisme (Néel), par exemple. Mais le résultat final reste biaisé et j'ai été frappé récemment de voir citer cet ouvrage comme une référence irréfutable. Votre projet aussi est initialement américain et internet est surtout implanté en Amérique. Vous avez donc un biais dont il faudra vous dégager.

BERNADETTE BENSAUDE-VINCENT (BBV) : Pourriez vous préciser ce qu'il en est de l'essor de la recherche en matériaux en France ?

JF : Comme je vous l'ai expliqué, il m'est difficile de vous répondre clairement. Qu'est-ce qui appartient aux recherches matériaux, aux phases condensées, aux solides ? Si on prend l'ensemble, il est considérable et je pense comparable en valeur et en quantité par chercheur à ce qui se fait dans les autres pays développés.
Si vous prenez le sens restreint d'une recherche dans un institut analogue aux instituts de recherche en matériaux américains, je vous répondrai que cela débute bien avant le mot matériaux dans quelques laboratoires industriels comme Saint Gobain, Péchiney, Thomson CSF, CGE Alcatel comme dans les organismes de recherche appliquée, en particulier à l'ONERA (Office national en recherches aéronautiques) et au CEA (Commissariat à l'énergie atomique). Le CEA a eu, dès le départ, des sections de recherche fondamentale mais aussi beaucoup d'activités science des matériaux, où il fallait fabriquer quelque chose pour quelque chose de précis dans un but donné. De même à un moindre niveau, l'IRSID pour la sidérurgie, l'ONERA pour l'aviation et l'Ecole des mines de Paris dans son centre de Corbeil puis de Sophia Antipolis, ont développé assez tôt une approche génie des matériaux, reprise par l'université de Compiègne.

BBV : Pourquoi la science des matériaux s'est-elle mieux développée en Grande Bretagne ?

JF : S'est-elle vraiment mieux développée là bas qu'en France ? Je n'en suis pas convaincu.

BBV : Oui si l'on en croit Robert Cahn.

JF : Je connais Robert Cahn depuis 1948. C'est un métallurgiste très distingué, qui a fait des travaux remarqués dès sa jeunesse sur la polygonisation des métaux écrouis. Ses fonctions d'éditeur l'ont amené au contact d'énormément de choses. Mais il a quand même des limites, comme tout le monde.

HERVE ARRIBART (HA) : Il se pose comme un fondateur de la science des matériaux.

JF : Robert Cahn a certainement contribué à développer une image positive et vivante de la recherche en matériaux. Ceci dit, il faut tenir compte de deux effets d'optique : les matériaux dont il parle dans son livre sont surtout les matériaux de structure. Il y a fort peu de choses sur les semiconducteurs et encore moins sur les supraconducteurs, assez peu aussi sur le magnétisme. On reconnaît là la dichotomie atomes/électrons qu'il est d'ailleurs difficile de maîtriser dans un domaine aussi étendu.
Robert Cahn est maintenant connu par les livres qu'il a édités sur les matériaux. Les auteurs qu'il a sollicités sont loin d'être tous britanniques. En fait, il a, comme je l'ai dit, des contacts depuis longtemps avec la France (où il a été professeur à Orsay trois ans en métallurgie) comme avec les USA et bien d'autres pays. Ses livres reflètent donc la pluralité des pays actifs dans ce domaine avec un biais bien compréhensible pour la Grande Bretagne.

HA : Et connaissez vous John Goodenough ?

JF : Depuis moins longtemps que Robert Cahn mais je l'ai pas mal vu lors de ses séjours à Bordeaux puis à Oxford. Je pense que c'est un chimiste de grande valeur, qui a des idées théoriques intéressantes tout en produisant des matériaux nouveaux.

HA : Pourquoi avez vous choisi d'aller à l'Université de Bristol ?

JF : J'explique cela dans mon discours à la Materials Research Society pour le von Hippel Award en 1988. Je développe aussi ce point dans Graine de mandarin (Odile Jacob, 1995).
J'ai commencé une recherche expérimentale chez C. Crussard au laboratoire de Métallurgie de l'Ecole des mines de Paris, en 1948. Après quelques tâtonnements où je me suis familiarisé avec les instruments, presque tous conçus par Chevenard d'Imply, Crussard m'a donné une petite plaquette d'aluminium recristallisé dont les grains avaient des joints perpendiculaires à la plaquette. J'ai mesuré la variation de l'énergie de joints en fonction des désorientations entre grains et j'ai voulu comparer avec des calculs. A part le cas des faibles désorientations, où on se ramène à un problème de dislocations, rien n'existait alors dans les livres de physique des solides. Seul Seitz considérait l'énergie d'un cristal parfait de métal alcalin. Mais rien n'existait sur les énergies de changement de phase ou sur les énergies de défauts. Je ne pouvais pas progresser dans ce domaine sans avoir compris un peu mieux les électrons dans les métaux, responsables de leur cohésion.
Crussard me présenta alors à son ami Nevill Mott, physicien du solide à Bristol lors d'un de ses nombreux voyages sur le continent. J'étais payé par le Corps des Mines pour faire de la recherche (par le décret Suquet de 1939, applicable à 10% des corps techniques de l'Etat). J'ai ainsi passé trois ans à Bristol à apprendre la physique et à faire un Ph D. Bristol était connue, outre les travaux sur les rayons cosmiques autour du futur prix Nobel Powell, pour les travaux sur la structure électronique des solides (N. Mott) et les dislocations (F. Charles Franck). Mott m'a mis sur un problème fondamental , celui des impuretés. Quand on change la nature d'un atome de métal, qu'on ajoute ou retire un atome de ce cristal, comment les électrons réagissent-ils ? J'ai été le premier à étudier les franges de diffraction ainsi produites autour de l'impureté, d'abord numériquement (à la règle à calcul) dans des études autocohérentes puis par des théorèmes généraux simples que j'ai ainsi découverts. Dans un second temps, revenu à Paris, j'ai compris avec A. Blandin, un de mes premiers thésards, que quand les effets de diffusion par les atomes étaient faibles comme dans l'aluminium, les forces interatomiques étaient additives à volume constant et pouvaient se déduire simplement de la diffusion des électrons par chaque atome pris isolément. Le détour par Bristol m'a ainsi permis de comprendre la nature des forces interatomiques dans les métaux comme l'aluminium et donc de calculer l'énergie des joints de grains.
Avec F.C. Franck j'ai appris les dislocations, un domaine alors en grande expansion. De retour en France en 1852 j'ai continué sur les deux sujets. J'ai d'abord passé une thèse française, pour pouvoir éventuellement entrer à l'Université. Je ne voulais pas réitérer les ennuis de mon grand père, directeur de l'Institut de cristallographie à Strasbourg après avoir dirigé l'Ecole des Mines de Saint-Etienne, mais barré de la Faculté des sciences parce qu'il n'avait jamais passé sa licence ! En 1956, je suis finalement entré à la Sorbonne et en 1959 André Guinier, R. Castaing et moi avons emménagé à Orsay. Pierre Gilles De Gennes nous a rejoints en 1961 et nous avons été un des premiers laboratoires associés au CNRS (le N°2) dépendant de plusieurs commissions.

HA : Quand vous avez eu un laboratoire à Orsay avez vous accueilli des chercheurs de Bristol ou d'Angleterre ?

JF : Nous avons assez vite recruté au CNRS un Ecossais, J. Campbell qui avait fait une thèse expérimentale avec N. Kurti à Oxford dans les techniques nucléaires à basses températures. Nous avons aussi recruté C. Froidevaux, un Suisse issu du Polytechnicum de Zurich, spécialisé en techniques de résonance à Berkeley après avoir lui aussi fait une thèse chez Kurti à Oxford.
Mais c'est au niveau des échanges temporaires que nous avons eu le plus de contacts avec l'étranger, dans les deux sens et la plupart avec des pays industriels. Des thésards étrangers sont venus quand nos groupes théoriques et expérimentaux ont pris de l'ampleur. Dans la vingtaine de mes propres élèves j'ai eu ainsi un Polonais, un Chilien, un Libanais, un Croate, un Allemand. Ce dernier H. Schulz, sans doute le plus brillant et le dernier de mes thésards, est malheureusement décédé récemment.
Avec l'Angleterre, j'avais des relations privilégiées avec N. Mott, devenu mon beau-frère, chez qui j'ai passé en famille de nombreux étés, surtout à Cambridge. Par lui j'ai développé des contacts avec P.B. Hirsch, S. Zimian, V. Heine. J'ai maintenu de fréquents contacts avec F.C. Franck à Bristol. F.R.N. Nabarro et R.W. Cahn ont été aussi visiteurs à Orsay.
A Bristol, où il y avait peu de thésards britanniques à l'époque, j'ai établi autant de liens avec les visiteurs étrangers, notamment des spécialistes allemands des défauts cristallins comme A. Serger, G. Leibfried, D. Kuhlmann-Wilsdorf. Enfin j'ai eu très tôt des contacts avec nombre d'Américains, dont C. Kittel, H. Brooks, W. Kohn, N. Bloemberger ont le plus compté pour mon début de carrière.

HA : Pour autant que je m'en souvienne il n'y avait pas beaucoup d'étudiants étrangers dans le DEA de physique du solide à Orsay, du moins l'année où j'y étais ?

JF : En effet on en a eu que quelques uns par an, surtout d'Europe de l'Est et des pays méditerranéens, parsemés de quelques Allemands, Hollandais, Chinois et une année deux Américains du Nord. Il n'y avait pas d'Anglais. Le DEA qu'on a créé à Orsay avec Guinier et Castaing en 1959 ne s'intégrait pas dans le cadre de formation des thèses anglaises. Leurs thèses se faisaient beaucoup plus vite en trois ans au maximum après une licence en 3 ans. Donc c'est après leur thèse que les Anglais venaient et nous nous envoyions nos propres étudiants en post-docs à l'étranger. Cette formule d'échanges de post-docs me semble de toutes façons meilleure. Il faut dire aussi que le DEA de physique des solides couvrait toute la région parisienne et que notre laboratoire recrutait (et recrute) aussi sur d'autres DEA de la région parisienne ou de province.

BBV : Votre enseignement de DEA était-il expérimental ou théorique ?

JF : Après un démarrage officieux en 1955 à Paris avec l'aide de Roman Schmolukovski nous avons eu longtemps trois cours de base, essentiellement théoriques : cristallographie, phénomènes de transport, structure générale des solides, assurés au départ par Guinier, Aigrain et moi-même. Seul Guinier avait des travaux pratiques. A partir de 1961, De Gennes a fait un cours de physique quantique. Par la suite nous avons demandé aux étudiants de faire un court stage dans un laboratoire et de rédiger et soutenir un mémoire à l'issue du stage. Mais nous n'étions pas un DEA classique, la plupart des DEA ayant la moitié de leur temps en laboratoire. Dès le début nous avons aussi développé des cours complémentaires de deuxième année beaucoup plus spécialisés et variant d'une année à l'autre. C'est ainsi que sont nés de nombreux ouvrages comme les premiers livres de De Gennes mais aussi des introductions par différents auteurs aux défauts ponctuels, à la mécanique électronique, aux ondes de spin, à la supraconductivité, le cours de G. Toulouse sur les statistiques en dimensions fractionnaires, le livre de M. Kléman Points, lignes, parois et bien d'autres.

BBV : Avez vous développé des liens avec les chimistes d'Orsay ?

JF : J'avais au départ des liens avec P. Lacombe qui dataient de l'Ecole des Mines. Je connaissais Chaudron et ses élèves, notamment Collongues et surtout Revcholevski qui collabore depuis longtemps avec Jérôme sur les supraconducteurs. Je connaissais beaucoup de gens à Vitry, particulièrement D. Gratias, dont j'ai suivi le démarrage pour sa thèse sur les structures incommensurables de surfaces et surtout sa découverte des quasicristaux. Les chimistes avaient au départ, en France, une plus longue tradition de théorie quantique et j'ai eu des contacts fructueux dans les années 60 avec plusieurs chimistes de mon âge à Orsay. Il en a été de même avec la chimie physique, initialement brillante à Orsay dans des domaines originaux comme les cristaux plastiques ou la tenue aux irradiations des molécules organiques, deux domaines dispersés par la mort ou le déménagement des acteurs, à part la réaction photographique de Mme Belloni. Quant à Henri Kagan dont on parle beaucoup ces jours-ci, je l'ai surtout connu et apprécié au Conseil de Troisième Cycle à Orsay quand je le présidais.

BBV : Et des liens avec les industriels ?

JF : Soyons clair : je suis un modeste théoricien des solides, pas un grand manitou des matériaux. Ceci dit, au laboratoire de métallurgie de Crussard j'ai eu l'occasion de rencontrer des métallurgistes industriels comme Herenguel et surtout Chevenard. Au retour de Bristol, j'ai fait systématiquement le tour des laboratoires industriels ; Péchiney à Chambéry a même cru que je venais espionner ! C'est l'époque où j'ai fait deux expériences extrêmes. Un sidérurgiste très distingué m'a demandé de visiter le centre de recherche d'un de ses groupes sur les ferrites ; il s'agissait en fait seulement de fabrication et on me suggérait d'espionner Philips, ce qui n'était pas dans mes cordes. Un jeune ingénieur italien de St Gobain (alors au Sud du Brésil) m'a spontanément invité à visiter le laboratoire et m'a parlé de recherches intéressantes qu'il avait engagées sur les centres colorés des verres trempés ; jusqu'à sa mort prématurée, j'ai ensuite reçu chaque année un cadeau, production Saint-Gobain.
Plus sérieusement, j'ai gardé deux contacts suivis mais avec des organismes de recherche appliquée : avec l'IRSID où j'ai été conseiller pendant près de 30 ans et avec le CEA où j'ai été également conseiller de 1955 jusqu'après ma retraite. E. Grison, qui m'a recruté, dirigeait la métallurgie civile de l'uranium et du plutonium (qui donnera le MOX). Mais très rapidement, j'ai débordé vers des problèmes de chimie physique et la physique de Saclay. Mon activité a été essentiellement fondamentale, au CEA comme à l'IRSID. J'y ai dirigé des thèses toujours dans des domaines fondamentaux : Y. Quéré par exemple sur les défauts d'irradiation dans les métaux, travaux sous-tendus par les questions de fragilité, gonflement, fluage sous irradiation dans les réacteurs nucléaires ; M. Kléman sur les phénomènes magnétoélastiques qui jouent un rôle majeur dans les mémoires magnétiques, en couches minces. J'ai aussi été longtemps au conseil d'administration du LEP (Laboratoire d'études de Philips en France). J'ai présidé les conseils scientifiques de Saint-Gobain et de France-Télécom, après celui du CENT (Centre national d'études en télécommunications) de Bageux sur les semiconducteurs.

BBV : Ces présidences étaient-elles honorifiques ou plutôt directives ?

JF : Comme toujours c'était ni blanc ni noir. Le CNET Bagneux puis France Télécom sont de bons exemples. Les créateurs du CNET Bagneux, M. Bernard et J. Serphagnon, avaient le souci que le laboratoire garde une excellence fondamentale tout en s'ouvrant largement sur la recherche appliquée. Présidant alors la Commission de physique des solides du CNRS, j'ai facilité la création d'un laboratoire associé CNET/CNRS dont j'ai présidé le Conseil scientifique durant plusieurs années. Ces réunions annuelles obligeaient les gens de laboratoire à rendre compte et les dirigeants du CNET à prendre position sur le développement du laboratoire. Avec l'adjonction d'une section venant purement des applications, puis d'un groupe propre du CNRS, l'ensemble était, lors de la création de France-Télécom l'un des meilleurs laboratoires de semiconducteurs hors silicium en Europe (composés II-V et organiques essentiellement).
J'ai quitté le CNET-Bagneux pour devenir le premier président du Conseil scientifique de France Télécom. Là les problèmes étaient d'un tout autre ordre, techniques d'abord, puis rapidement économiques et politiques. Dans un premier temps, quand France Télécom était nationalisé, nous avons de nouveau obligé les gens à présenter leurs problèmes et leurs solutions et nous avons œuvré pour l'ouverture de France Télécom à la recherche française extérieure. Le temps de la privatisation, avec le développement d'Internet et du portable, a conduit à l'abandon des grands secteurs de la recherche - y compris au Centre de Bagneux - et à la mise en sommeil de réflexions à long terme sur les nouveaux matériaux (organiques en particulier) comme sur les réseaux. Nous avons éclairé, dans notre mesure, sur les dangers tant immédiats qu'à long terme et cherché à éviter que France Télécom se referme sur elle-même au point de vue recherche.

HA : Vous avez mentionné les deux orientations de vos recherches vers l'électronique des métaux et les dislocations. J'ai le sentiment qu'à un moment vous avez favorisé le premier et un peu abandonné le second.

JF : Depuis Bristol, j'ai toujours eu une activité de recherche sur l'électronique des solides. J'ai essayé de développer des modèles approximatifs mais simples, compréhensibles et même utilisables par des non-spécialistes. Je suis un vrai élève de N. F. Mott en ce que, dans un domaine complexe où 1024 particules sont en interactions fortes, des caricatures faites sur un dos d'enveloppe me semblent pouvoir être plus pertinentes que des collections de papillons, photos léchées à l'ordinateur mais souvent peu généralisables. Après de nombreuses études sur les alliages métalliques développées avec mes thésards, je me suis intéressé à la cohésion et au magnétisme des métaux purs, dont les électrons de valence sp, d ou f sont progressivement localisés et demandent des approximations différentes. Je me suis aussi intéressé aux covalents sp qui gardent, avec l'ordre local, une bande interdite de covalence même dans l'état amorphe. Plus récemment je me suis intéressé à la physique, très riche, des surfaces et des agrégats, sans oublier des sujets à la mode comme les supraconducteurs ou les quasicristaux.
J'ai abandonné pour un temps les dislocations après la seconde édition de mon livre (1964) sous la pression des événements et puis parce que j'avais le sentiment de n'avoir plus trop à dire sur le sujet, du fait notamment que je n'avais pas développé de groupe expérimental à Orsay sur ce sujet. Mais j'y suis revenu avec les cristaux liquides. De Gennes avait été persuadé par G. Durand, rentrant de Harvard, de l'intérêt de ce domaine mésoscopique justiciable de méthodes d'analyse analogues à la méthode qu'il avait utilisée pour les supraconducteurs. De Gennes s'est penché sur l'étude des dislocations de ces corps. Mais c'est plutôt Maurice Kléman (laboratoire de Physique des solides d'Orsay, puis laboratoire de minéralogie et cristallographie de Jussieu) qui a développé ce domaine en liaison avec F.C. Franck. Je me suis remis à ce sujet, notamment aux possibilités de dislocations de rotation caractéristiques de certaines de ces phases. Les réseaux plus ou moins réguliers de telles dislocations posent des problèmes topologiques intéressants, mis en jeu dans certaines phases mésomorphes dites cholestériques (germes, phases bleues) mais aussi dans les quasicristaux. J'ai gardé le contact puisque cette année j'ai rédigé des préfaces substantielles pour deux gros livres sur la dislocation dans les cristaux liquides. J'ai fait aussi un commentaire introductif à un gros bouquin sur l'écrouissage des métaux qui reste toujours un problème ouvert.

HA : Vous avez évoqué les supraconducteurs à propos de De Gennes. Comment avez vous vécu l'arrivée des cuprates et l'excitation sur les supraconducteurs ?

JF : Les Français auraient dû découvrir les supraconducteurs cuprates si les chimistes des cuprates avaient accueilli des physiciens. C'est un beau contre-exemple de l'interdisciplinarité.
J'étais intéressé par les supraconducteurs organiques. Il y a pas mal d'analogies avec les cuprates car ce sont des structures anisotropes faites de chaînes ou de plans d'atomes parallèles ou faiblement liés. Donc d'un certain point de vue les oxydes m'ont attiré toute de suite un peu comme une extension des organiques de Jérôme (J. Denis Jérôme, laboratoire de Physique des solides d'Orsay). Mais je m'intéressais aux oxydes dans un esprit assez conservateur. Au lieu d'aller vers des choses nouvelles et compliquées, je préférais voir si une approche BCS classique ne pouvait pas marcher. Je pensais notamment que les corrélations électroniques dont B. Schrieffer, M. Rice et P.A. Anderson faisaient tout un plat, existaient certainement mais peut-être pas de façon plus notable que dans les métaux de transition comme le nickel ou le chrome que j'avais précédemment étudiés. Je ne crois donc pas aux constructions magnifiques de Phil Anderson pour les oxydes. Mais ma position est controversée : on m'a demandé près de 100 tirés-à part d'un article de revue écrit l'année de ma retraite ; mais on ne me cite jamais ! D'une façon plus générale, je pense que trop de gens se sont lancés dans une quête sans espoir d'un second Nobel après Müller.

BBV : Et comment voyez vous le futur des supraconducteurs ?

JF : Il n'y a pas encore d'applications industrielles mirobolantes. Il faudra du temps ! Mais les supraconducteurs ont deux apports quasi certains :

ils permettront peut-être de petits montages dans des systèmes électroniques de faibles puissances. De ce point de vue les gens de la Bell (Batlog, Scön) ont montré récemment une voie certes difficile à mettre en œuvre mais très intéressante.
ils ouvrent la voie à des méthodes qu'on pourrait utiliser en d'autres domaines. Par exemple, Fischer à Genève fabrique des couches atome par atome. L'idée est de faire des composés à la demande avec des structures choisies, des composés qui n'existent pas à l'état naturel, tout à fait en dehors des équilibres thermodynamiques. Par le choix de ionocovalents qui ont une interdiffusion atomique faible, les interfaces chimiques entre couches gardent leur netteté.

HA : Quelle fut d'après vous la démarche de Müller à Zurich ?

JF : Müller était un spécialiste très connu des ferroélectriques. Il est allé à une école d'été à Cargèse où des théoriciens de Grenoble ont évoqué la possibilité pour des ferroélectriques de devenir supraconducteurs. A son retour, il a cherché lesquels conduisent l'électricité et il a obtenu une supraconductivité à assez haute température. Le tort de Müller a été de s'accrocher à l'idée de ferroélectriques à laquelle personne ne croit plus guère.

BBV : Pensez vous qu'il y a un lien historique ou logique entre la supraconductivité et la conductivité ionique qu'on a appelée pendant un temps superconductivité ionique ?

JF : Il n'y a aucun lien. L'analogie des noms est trompeuse. La conductivité ionique est un phénomène atomique classique, alors que la supraconductivité est de nature quantique et électronique (malgré Müller).
Par contre, les superfluides, ou liquides quantiques ont un lien avec les supraconducteurs, rendu possible par la légèreté des atomes mis en jeu.

HA : Quelle est votre attitude à l'égard des instruments en général et des grands instruments en particulier ?

JF : Je suis un pur théoricien mais, comme De Gennes, j'aime être entouré d'expérimentateurs. A Orsay, où De Gennes nous a rejoints en 1961, on a recruté des expérimentateurs pou compléter les groupes déjà existants de A Guinier et R. Castaing. C'était difficile car il y avait en France peu d'expérimentateurs qualifiés en structure électronique des solides, surtout des métaux. Les premiers ont été J. P. Burger, puis Etienne Guyon et C. Froidevaux, un Suisse que nous avons attiré par un poste de professeur d'échange et Campbell, un Ecossais invité par le CNRS. De toute façon il s'agissait d'expériences avec de petits instruments.

Quand j'étais conseiller de la DRME (Direction de la recherche militaire et des études) j'ai facilité l'équipement de nombreux laboratoires, notamment en province, couplés à des programmes de recherche fondamentale. Il s'agissait de ce qu'on a appelé plus tard les « instruments mi-lourds », basses températures, microscopie électronique, appareils de résonance... C'était d'une certaine façon prendre le relais des contrats militaires américains qui ont aidé beaucoup de mes collègues à démarrer la recherche fondamentale après la guerre.
Quant aux grands instruments, j'ai toujours pensé que, comme la langue d'Esope, tout dépendait de la façon de s'en servir. Collectionner des spectres de phonons ou de neutrons pour un composé ou un autre, n'a pour moi guère d'intérêt et prend beaucoup de temps. Mais le programme de l'Institut Laue-Langevin (ILL) à Grenoble ne fait heureusement guère de place à ce genre d'activités. J'ai toujours pensé que ces grands instruments peuvent offrir des possibilités absolument inédites pour la physique, la chimie, la biologie en général et pour les matériaux en particulier. J'ai donc travaillé dans ce sens en plusieurs occasions.
A Orsay, par exemple, j'ai suscité la réunion de physiciens des particules et de physiciens des solides qui a permis d'ouvrir l'accélérateur nucléaire au rayonnement synchrotron, c'est à dire à la naissance de LURE (Laboratoire d'Utilisation du Rayonnement Electromagnétique). Sous la pression du radiobiologiste V. Luzzati, que j'avais connu au Conseil scientifique de l'ILL, et de mon jeune collègue Y. Farge de notre laboratoire, j'ai convaincu mon ami Laguarrigue, directeur de l'accélérateur linéaire, de tenter cette expérience. J'en ai suivi les premiers pas.
En 2000 je suis intervenu auprès du gouvernement pour le faire revenir sur sa décision d'annuler le projet SOLEIL, successeur de LURE. Cette démarche avait trois raisons :

Il faut quelques très grands instruments (comme l'ESRF de Grenoble pour le rayonnement synchrotron) fonctionnant à l'échelle européenne. Leur fonction est de découvrir des techniques nouvelles en physique et en chimie ce qui est rendu possible par les propriétés spécifiques (polarisation, cohérence, hachage temporel) et par l'accroissement de la puissance et la définition de ce rayonnement comparé aux sources classiques ou aux lasers. Mais un tel équipement est trop vite saturé pour répondre aux besoins à l'échelle nationale, où il faut former des chercheurs et appliquer ces techniques, dans des expériences souvent longues. Tout cela coûte de l'argent mais si l'on considère le nombre de personnes engagées dans ces expériences ce n'est pas exorbitant.
Le synchrotron est aussi utile aux études biologiques. Il y a là un domaine en plein développement où le synchrotron n'est pas actuellement remplaçable, notamment pour l'étude structurale de molécules complexes. On peut noter qu'il y a là une extension nécessaire de la notion de matériaux : par exemple, les techniques de croissance des cristaux de molécules à longues chaines posent des problèmes spécifiques qui devraient être analysés en priorité et où la participation de physiciens et de chimistes est indispensable.
Enfin ces grosses machines sont aussi des lieux de rassemblement interdisciplinaire...du moins si on s'y prend bien. Il ne suffit pas d'installer des machines pour générer de la collaboration.

BBV : Quelle fut votre attitude à l'égard de la politique française sur les matériaux ?

JF : Je regrette que le gouvernement ait abandonné pour la recherche son affichage d'une priorité matériaux. Je suis convaincu que c'est un secteur essentiel de la recherche où le fondamental et les applications, les universités, l'industrie et les organismes de recherche appliquée peuvent et doivent se rencontrer sur un pied d'égalité. L'idée que l'on puisse développer les sciences de l'information ou les sciences de la vie sans une solide base matériaux est une idée de pays sous-développé !
Il me semble aussi clair que le domaine général des matériaux est en évolution rapide, avec une importance croissante des secteurs matériaux organiques, composites à l'échelle atomique, importance croissante aussi du mésoscopique. Tout pays qui ignorera les problèmes de « hard » en ne privilégiant que le « soft » ou le « bio » perdra à la longue dans la compétition.
Je suis aussi pour l'interdisciplinarité qui sous-tend la recherche en matériaux. De ce point de vue que l'on ait développé ce facteur dans les maitrises universitaires, que l'on ait créé aussi des enseignements d'écoles d'ingénieurs et des DEA spécifiquement matériaux me semble une bonne chose, comme aussi la réussite de certains instituts CNRS-universités ou CNRS-industrie de matériaux.
Mais ce n'est pas la panacée : le secteur est tellement énorme qu'il faut forcément se spécialiser. Je crois au travail en commun de chercheurs formés de différentes façons ; je crois aux échanges de chercheurs, aux collaborations. Mais ceci n'implique pas pour tout le monde l'abandon des grandes divisions de spécialistes, que ce soit à l'Université ou au CNRS. Je regrette pareillement l'abandon de laboratoires fortement affichés dans certaines branches de la physique et de la chimie.
Enfin je pense que, particulièrement dans le secteur des matériaux, le développement instrumental - des microscopes atomiques au rayonnement synchrotron - a joué un rôle majeur dans les développements récents. Et rien ne permet de dire que cette dynamique très interdisciplinaire, va se tarir.

Fin de l'enregistrement

Chère Madame Bensaude-Vincent,

J'ai lu avec attention et intérêt votre analyse sur « Materials Science in the United States ». Je pense que vous avez fait un effort de synthèse remarquable sur un sujet aussi diffus et la lecture de votre texte avant notre interview aurait peut-être permis de mieux polariser notre discussion.

J'ai quelques remarques générales : le titre comporte « sciences » mais le texte parle autant (dans la 2° moitié) d'« engineering ». D'autre part le texte déborde largement des US.

Je pense que la « dynamique »matériaux s'est développée aux US par suite d'un manque d'instituts ou de grands laboratoires de recherche universitaire en dehors des domaines à grands instruments comme le nucléaire, les hautes énergies, le spatial.... La situation est un peu similaire en GB (à part des centres peu nombreux comme Cambridge, Oxford, Bristol...), mais différente en Allemagne (avec les Max Planck), en France : à partir des années 40 (LP CNRS ) et surtout 60 (LA CNRS).

Il y a d'autre part certains manques. Vous ne parlez pas des cristallographes qui, en GB, en Allemagne et en France mais aussi aux USA, ont joué un rôle pionnier dans l'étude des cristaux, des défauts cristallins, des amorphes, des changements de phase comme dans le développement des instruments (neutrons aux USA), électrons en GB, rayonnement synchrotron (en Italie puis aux USA et en France...).

La césure entre matériaux de structure et matériaux électroniques, très dommageable aux deux, particulièrement forte aux USA n'est que notée au passage. Enfin des domaines certes très européens au départ comme les agrégats et les quasicristaux manquent un peu.

Une étude aurait pu être faite sur l'analyse des relaxations plastiques en front de fissure. Celle-ci avait, avant le développement des dislocations, pris un virage très fondamental, barré avec les accidents des Comets par l'urgence de trouver des parades pratiques. On est revenu aux analyses macroscopiques, avec des paramètres tirés de l'expérience mais qui varient avec les conditions de fracture. Ce n'est qu'assez récemment, avec des gens comme Pinault à l'Ecole des mines – Corbeil, qu'on est revenu à des analyses plus microscopiques et physicochimiques. Cet aller-retour est, je pense, typique de bien des domaines. Il souligne une difficulté fondamentale de traiter un domaine comme un tout. C'est le dialogue qui doit être perpétuel entre les progrès fondamentaux et les applications. Sauf cas très rares, je ne crois pas qu'un seul institut des matériaux, universitaire ou industriel, ait créé de toutes pièces et en allant jusqu'à l'application une seule découverte utile.

Enfin sous cette pression US notamment, c'est le soutien de toute recherche dans le « hard » qui a été compris comme « materials », en opposition avec le « soft » et le « bio ». Ces dernières années, ce sont ces deux autres domaines qui ont eu la suprématie. Mais je ne pense pas la situation viable très longtemps.

Bien cordialement

Jacques Friedel

Entretien avec Jacques Friedel, par Hervé Arribart et Bernadette Bensaude-Vincent, 17 octobre 2001.

Lieu : Académie des Sciences, France.

Support : enregistrement sur cassette.