L’état amorphe de la matière est la forme de matière visible la plus abondante dans l’univers et comprend tous les systèmes structurellement désordonnés, tels que les cellules biologiques ou les matériaux essentiels comme le verre et les polymères.
Un matériau amorphe est un solide dont les molécules et les atomes forment des structures désordonnées, c’est-à-dire qu’ils n’occupent pas des positions régulières et bien définies dans l’espace.
C’est le contraire de ce qui se passe dans les cristaux, dont la structure ordonnée facilite leur description mathématique, ainsi que l’identification de ces « défauts », qui contrôlent pratiquement les propriétés physiques des cristaux, comme leur élasticité plastique et leur fusion, ou la manière dont un cristal se forme. le courant électrique se propage à travers eux.
Les défauts topologiques, qui sont mathématiquement décrits comme des points de singularité au sein d’un motif ordonné, et autour desquels l’intégrale d’une certaine quantité change de valeur après une boucle complète autour du défaut, revêtent une importance particulière.
Des exemples bien connus de défauts topologiques qui contrôlent les propriétés mécaniques d’un système sont les tourbillons, les anti-vortex, les solitons et les dislocations.
Dans des systèmes amorphes tels que des lunettes, ou un réseau aléatoire de connexions neuronales, des défauts topologiques n’ont été observés pour la première fois dans des simulations numériques qu’en 2021, grâce à des simulations informatiques de matériaux vitreux menées par mon équipe de recherche à l’Université de Milan, et en collaboration avec Matteo Baggioli de l’Université Jiao-Tong de Shanghai et Tim Sirk du Laboratoire de recherche de l’armée américaine.
Plus tard, d’autres équipes en Chine, en France et aux États-Unis ont reproduit notre observation dans différents systèmes vitreux simulés numériquement sur ordinateur. Hormis ces observations dans des simulations informatiques, aucune preuve de l’existence de ces défauts topologiques dans des matériaux amorphes réels n’avait été rapportée jusqu’à aujourd’hui.
Aujourd’hui, grâce à des méthodes particulières d’analyse numérique appliquées au traitement des données expérimentales de vidéomicroscopie, mes collaborateurs et moi avons réussi à identifier clairement les défauts topologiques d’un verre colloïdal amorphe créé en laboratoire par assemblage aléatoire de particules colloïdales magnétiques.
Les résultats sont publié dans la revue Communications naturelles.
L’interaction entre les particules peut être finement réglée par un champ magnétique externe. Les données expérimentales ont été collectées à l’Université de Constance (Allemagne) par mon collègue le professeur Peter Keim, avec qui j’ai commencé à collaborer alors que nous étions tous les deux à Göttingen, respectivement en tant que chef du groupe Max Planck (Peter) et Gauss en visite. -Professeur (moi-même) soutenu par l’Académie des Sciences de Göttingen.
Je crois personnellement que la démonstration expérimentale de l’existence de défauts topologiques dans les systèmes désordonnés constitue un tournant dans la physique de la matière condensée, car elle ouvre la voie à la possibilité de contrôler et de manipuler rationnellement les propriétés physiques des matériaux et des systèmes amorphes, avec des implications pour les systèmes artificiels. l’intelligence, le système nerveux des êtres vivants et même la structure à grande échelle du cosmos.
Dans le cadre de mes travaux en cours, je collabore avec des expérimentateurs pour détecter les défauts topologiques récemment découverts également dans les matériaux amorphes sujets à déformation, dans le but d’identifier et de prédire les régions du matériau les plus sujettes aux défaillances mécaniques.
Cette histoire fait partie de Dialogue Science Xoù les chercheurs peuvent rendre compte des résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d’informations sur Science X Dialog et comment y participer.
Plus d’informations :
Vinay Vaibhav et al, Identification expérimentale de défauts topologiques dans le verre colloïdal 2D, Communications naturelles (2025). DOI : 10.1038/s41467-024-54857-z
Biographie :
Alessio Zaccone a obtenu son doctorat. du Département de chimie de l’ETH Zurich en 2010. De 2010 à 2014, il a été Oppenheimer Research Fellow au Laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge.
Après avoir été professeur à l’Université technique de Munich (2014-2015) et à l’Université de Cambridge (2015-2018), il est depuis 2022 professeur titulaire et directeur de physique théorique au Département de physique de l’Université de Milan. comprennent la médaille d’argent de l’ETH Zurich, la chaire Gauss 2020 de l’Académie des sciences de Göttingen, la bourse du Queens’ College de Cambridge et une bourse ERC Consolidator (« Multimécanique »).
Les contributions à la recherche incluent la solution analytique au problème de transition de brouillage (Zaccone & Scossa-Romano PRB 2011), la solution analytique au problème de compactage aléatoire en 2D et 3D (Zaccone PRL 2022), la théorie des processus de vitesse de réaction activés thermiquement en écoulements de cisaillement (Zaccone et al PRE 2009), la théorie de la nucléation des cristaux sous écoulement de cisaillement (Mura & Zaccone PRE 2016), la prédiction théorique de pics de type boson dans les spectres vibrationnels des cristaux (Milkus & Zaccone PRB 2016 ; Baggioli & Zaccone PRL 2019), la théorie de la transition vitreuse dans les polymères (Zaccone & Terentjev PRL 2013), la découverte théorique et informatique des défauts topologiques dans les verres (Baggioli, Kriuchevskyi, Sirk, Zaccone PRL 2021) et la prédiction théorique de l’amélioration de la supraconductivité effets dus à l’amortissement des phonons (Setty, Baggioli, Zaccone PRB 2020).
Les intérêts de recherche vont de la physique statistique des systèmes désordonnés (empilements aléatoires, brouillage, verres et transition vitreuse, colloïdes, thermodynamique hors équilibre) à la physique du solide et à la supraconductivité.