Les verres sont des matériaux particuliers qui présentent d’excellentes propriétés bien connues, mais aussi des phénomènes encore mal connus, même s’ils sont étudiés depuis plus d’un siècle. En particulier, les chercheurs n’ont pas encore atteint une description complète du processus de formation du verre, lors du refroidissement d’un liquide, et de la transition inverse du verre vers un état plus stable – appelé liquide surfondu – lorsqu’il est chauffé.
Une étude récemment publiée dans Physique naturelledirigé par des membres du département de physique de l’Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) et du groupe ICN2 Propriétés thermiques des matériaux à l’échelle nanométrique, jette un nouvel éclairage sur cette énigme.
Un verre est un solide amorphe, un état de la matière caractérisé par l’absence d’ordre à longue distance. En d’autres termes, il n’a pas une structure cristalline comme un solide « régulier », mais ses molécules ne peuvent pas non plus se déplacer comme dans un liquide, en raison de sa viscosité très élevée. Étant donné que cet état n’est pas énergétiquement stable, les atomes ou les molécules des verres ont tendance à se réorganiser au fil du temps, conduisant à des configurations plus stables.
Un tel processus de reconfiguration, qui se produit naturellement, est facilité par une augmentation de la température. Lorsqu’un verre est chauffé jusqu’à sa température de transition spécifique, ses composants acquièrent une mobilité supplémentaire et le matériau devient un liquide surfondu.
Classiquement, cette transition du verre au liquide est décrite comme un processus dynamique dans lequel les atomes ou les molécules passent par une relaxation coopérative. Cela signifie que des régions du verre ayant une mobilité légèrement supérieure induisent des zones adjacentes à passer progressivement à un état liquide et à atteindre une phase d’équilibre. Selon cette théorie, l’augmentation de la mobilité est graduelle et la relaxation s’effectue dans tout le matériau de manière coopérative et presque uniforme. Mais en est-il toujours ainsi ?
L’étude susmentionnée dirigée par le professeur Javier Rodriguez-Viejo et le Dr Marta Gonzalez-Silveira – chef de groupe et chercheur principal, respectivement, dans le groupe ICN2 Propriétés thermiques des matériaux à l’échelle nanométrique et au Département de physique de l’Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) – donne une description plus précise de ce phénomène. Les chercheurs ont démontré expérimentalement que, dans des conditions particulières, le passage du verre au liquide surfondu peut provenir d’une formation rapide de régions liquides localisées, dont la mobilité est bien supérieure à celle du reste du matériau et qui se dilatent rapidement.
Il en résulte une étape où des parties du matériau sont déjà dans une phase liquide stable, tandis que d’autres sont encore vitreuses, ce qui ne se produit pas avec la relaxation coopérative. Pour que ces deux états coexistent dans des régions localisées, la différence de mobilité entre le liquide et les parties en verre doit être très importante.
Les auteurs ont démontré que ces deux mécanismes, c’est-à-dire la formation de régions liquides en expansion et la relaxation coopérative, peuvent avoir lieu lorsque le verre est chauffé, selon les conditions du processus. Lequel des deux prévaut est dicté par la température spécifique du verre mais ne dépend pas de la procédure utilisée pour former le verre d’origine ou de sa stabilité initiale.
Cette étude, dont les co-auteurs sont Ana Vila-Costa, le Dr Cristian Rodríguez-Tinoco et Marta Rodríguez-López, a été rendue possible grâce à l’utilisation de techniques de laboratoire avancées, telles que la nanocalorimétrie, qui permet d’observer la dynamique du verre à l’échelle nanométrique et d’effectuer des des mesures à des plages de température et des échelles de temps qui ne peuvent pas être réalisées par des méthodes conventionnelles. Ces résultats ajoutent de nouveaux éléments importants à la description du processus complexe de transition verre-liquide et ouvrent la voie à de nouvelles théories et à des études approfondies.
Une meilleure compréhension de la physique du verre permettra d’exploiter ses propriétés pour des applications nouvelles ou améliorées. En particulier, ce mécanisme de transformation exotique est à l’origine de la très grande stabilité des dépôts en phase vapeur verres ultrastablesy compris organiques, et peuvent donc avoir un impact positif sur la durabilité des dispositifs organiques ou la production de verres métalliques aux propriétés mécaniques améliorées pour les revêtements résistants à l’usure et à la corrosion.
Plus d’information:
Ana Vila-Costa et al, Émergence de régions liquides équilibrées dans le verre, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01791-w