Pourquoi le verre et d'autres matériaux amorphes se déforment-ils plus facilement dans certaines régions que dans d'autres? Une équipe de recherche de l'Université d'Osaka, de l'Institut national des sciences et de la technologie industrielles avancées (AIST), de l'Université d'Okayama et de l'Université de Tokyo a découvert la réponse.
En appliquant une méthode mathématique connue sous le nom d'homologie persistante, l'équipe a démontré que ces régions douces sont régies par des structures hiérarchiques cachées, où les arrangements atomiques ordonnés et désordonnés coexistent.
Les solides cristallins, tels que le sel ou la glace, ont des atomes soigneusement disposés en motifs répétitifs. Les matériaux amorphes, y compris le verre, le caoutchouc et certains plastiques, n'ont pas cette commande à longue portée. Cependant, ils ne sont pas complètement aléatoires: ils possèdent des modèles atomiques subtils et subtils qui s'étendent sur quelques nanomètres.
Le MRO est soupçonné depuis longtemps de jouer un rôle essentiel dans la détermination des propriétés physiques des matériaux amorphes, en particulier leurs réponses mécaniques. Pourtant, en raison de la complexité des réseaux atomiques, les méthodes d'analyse conventionnelles n'ont pas pu clarifier comment le MRO se rapporte aux régions qui se déforment plus facilement que leur environnement. Les origines structurelles de la douceur mécanique dans les solides amorphes sont donc restées insaisissables.
L'équipe de recherche a appliqué l'homologie persistante, une branche de l'analyse des données topologiques qui capture les caractéristiques structurelles à plusieurs échelles. Dans le silicium amorphe – un matériau amorphe covalent prototypique largement utilisé dans les cellules solaires et les dispositifs électroniques – ils ont découvert des structures d'anneaux hiérarchiques: les anneaux plus petits avec des longueurs de bord irrégulières sont imbriqués à l'intérieur de anneaux plus grands.
Cette coexistence de l'ordre et du trouble signifie que la douceur émerge non pas du hasard, mais des contraintes imposées par l'ordre à moyenne portée entrelacé avec un trouble local. L'étude a également révélé que ces structures hiérarchiques sont fortement en corrélation avec les vibrations localisées à faible énergie, une caractéristique universelle de lunettes connues sous le nom de «pic de boson».
« Ce travail fournit une nouvelle voie pour lier la structure atomique des matériaux amorphes à leurs réponses mécaniques », explique Emi Minamitani de l'Université d'Osaka, l'auteur principal de l'étude publiée dans Communications de la nature.
« Nous pensons que ces idées accéléreront la conception de verre durable et d'autres matériaux amorphes avancés. »
La découverte établit un principe structurel clair: des régions mécaniquement douces surviennent lorsque le trouble est intégré dans l'ordre à moyenne portée.
Cette découverte contre-intuitive fournit une directive pratique pour développer des solides amorphes qui sont à la fois flexibles et forts – les applications avantageuses des écrans et des revêtements aux dispositifs d'énergie.
