La transition vitreuse rencontre la diffusion fickienne-non gaussienne

La transition vitreuse est un grand défi en physique de la matière condensée et réserve encore des surprises, malgré des décennies de recherche intense. Par exemple, la diffusion dans les liquides vitreux était jusqu’à présent considérée comme qualitativement similaire à celle des liquides « chauds » conventionnels, du moins pendant de longues durées d’observation. De nouvelles recherches publiées dans Lettres d’examen physique démontre que ce n’est pas le cas : la diffusion à long terme dans les liquides vitreux est en effet « fickienne mais non gaussienne » (FnGD), une caractéristique intrigante précédemment découverte dans les fluides complexes et biologiques. Contrairement à ces systèmes, cependant, le FnGD dans les liquides vitreux devient dramatique à l’approche de la transition vitreuse et semble être caractérisé par des lois d’échelle universelles. L’étude, combinant expériences et simulations, a été réalisée par Francesco Rusciano (doctorant), Raffaele Pastore et Francesco Greco du groupe de mécanique statistique des matériaux mous de l’Université de Naples Federico II.

La question de la transition vitreuse

Après des décennies d’efforts expérimentaux et théoriques d’une large communauté scientifique, la transition vitreuse reste toujours une question ouverte majeure dans les domaines de la matière condensée et des systèmes complexes, comme l’a montré le prix Nobel récemment décerné à Giorgio Parisi, l’une des figures de proue de la science. ce sujet. Mais qu’est-ce qu’un verre ? En bref, lorsqu’un liquide moléculaire est rapidement refroidi en dessous de sa température de fusion, la cristallisation peut être évitée. Dans cet état, cependant, même des baisses de température modestes font augmenter la viscosité de plusieurs ordres de grandeur et conduisent finalement au «verre», un matériau qui est mécaniquement solide tout en conservant la structure microscopique désordonnée typique d’un liquide. Ainsi, la transition vitreuse remet en cause une hypothèse fondamentale dans la matière condensée, à savoir que la structure microscopique et la réponse mécanique d’un matériau sont étroitement liées. Fait intéressant, il est apparu que la transition vitreuse n’est pas l’apanage des seuls liquides moléculaires, mais qu’elle se produit également dans d’autres systèmes, tels que les suspensions colloïdales de concentration croissante. Alors que le développement d’une théorie globale de la vitrification fait encore l’objet d’un débat actif, il est maintenant clair qu’un rôle important est joué par la présence d’hétérogénéité dynamique, c’est-à-dire la coexistence durable d’amas de vitrification rapide et lente. particules en mouvement. Les liquides vitreux sont en effet considérés comme un modèle paradigmatique d’hétérogénéité dynamique.

Diffusion non gaussienne fickienne

Alors que la transition vitreuse est un problème de longue date, le FnGD est beaucoup plus récent. La diffusion des particules dans les liquides conventionnels et dans de nombreux autres systèmes est caractérisée par un déplacement quadratique moyen des particules (MSD) augmentant linéairement dans le temps (Fickian) et par une distribution de déplacement gaussienne, comme prédit par le célèbre travail d’Einstein sur le mouvement brownien et son interprétation en termes de promenade au hasard. Cependant, dans certains systèmes, comme les réseaux de fibres ou les matériaux poreux, la diffusion s’avère non fickienne et non gaussienne, et est donc appelée «diffusion anormale». En raison de ces observations, on pensait que les comportements fickiens et gaussiens se produisaient ensemble ou ne se produisaient pas du tout.

Cette attente commune a été brisée en 2009 par des expériences révolutionnaires du groupe de Granick (Université d’Urbana, Illinois), révélant l’existence d’un nouveau type de diffusion, à la fois fickien mais non gaussien. Depuis sa découverte dans les fluides biologiques, le FnGD a été trouvé dans une grande variété de systèmes de matière molle, mais sa compréhension reste encore insaisissable. Cependant, l’émergence de FnGD est généralement associée à une certaine hétérogénéité structurelle ou dynamique de l’environnement dans lequel les particules se déplacent.

Diffusion non gaussienne fickienne dans des liquides vitreux

La concomitance généralisée de l’hétérogénéité et du FnGD a motivé les chercheurs de l’Université de Naples Federico II à rechercher l’éventuelle présence de FnGD dans les liquides de formation de verre, l’incarnation de l’hétérogénéité dynamique, en s’appuyant sur des expériences sur des suspensions colloïdales et des simulations de liquides moléculaires. L’étude démontre que le FnGD n’est pas seulement présent dans les liquides vitreux, mais qu’il devient également très marqué et durable à l’approche de la transition vitreuse. L’étude montre également que les lois de puissance universelles capturent la relation entre les échelles de temps pour l’apparition de la fickianité et pour la restauration de la gaussianité, ainsi que la dépendance temporelle des queues exponentielles des distributions de déplacement.

Globalement, ces résultats ouvrent la voie à une fertilisation croisée des idées entre les deux problématiques du FnGD et de la transition vitreuse. D’une part, la FnGD est la clé pour comprendre la diffusion à long terme dans les liquides vitreux et pour revisiter des concepts bien établis, comme celui d’hétérogénéité dynamique. D’autre part, la forte signature de FnGD que l’on vient de trouver dans les liquides vitreux peut probablement représenter une référence pour les futures études de FnGD dans d’autres systèmes.