(À gauche) Au-dessus d’une température initiale, un matériau 2D présente un comportement liquide normal avec toutes les particules également mobiles (jaune). (À droite) En dessous de cette température, il devient en surfusion, l’apparition d’une rigidité conduisant à la formation de quelques particules mobiles (jaune) parmi des régions « gelées » semblables à des solides (bleu). Crédit : Kranthi Mandadapu
Une meilleure compréhension de la dynamique vitreuse pourrait aider les scientifiques à expliquer pourquoi un liquide se comporte comme un solide et à développer de nouveaux matériaux utiles.
Les chercheurs ont identifié une transition de phase cachée dans les matériaux amorphes comme le plastique et le verre. En combinant théorie, simulations et études antérieures, ils ont observé que les molécules de ces matériaux deviennent extrêmement visqueuses à une certaine « température initiale », passant d’un état liquide à un état solide. Cette découverte pourrait ouvrir la voie au développement de nouveaux matériaux amorphes pour diverses applications, notamment les dispositifs médicaux et l’administration de médicaments.
Tout ce qui est fabriqué en plastique ou en verre est appelé matériau amorphe. Contrairement à de nombreux matériaux qui gèlent en solides cristallins, les atomes et les molécules des matériaux amorphes ne s’empilent jamais pour former des cristaux lorsqu’ils sont refroidis. En fait, même si nous considérons généralement le plastique et le verre comme des « solides », ils restent dans un état qui est plus précisément décrit comme un liquide surfondu qui s’écoule extrêmement lentement. Et bien que ces matériaux « dynamiques et vitreux » soient omniprésents dans notre vie quotidienne, la manière dont ils deviennent rigides à l’échelle microscopique a longtemps échappé aux scientifiques.
Aujourd’hui, des chercheurs du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie (Berkeley Lab) ont découvert un comportement moléculaire dans les liquides surfondus qui représente une transition de phase cachée entre un liquide et un solide.
Leur meilleure compréhension s’applique aux matériaux ordinaires comme le plastique et le verre et pourrait aider les scientifiques à développer de nouveaux matériaux amorphes destinés à être utilisés dans les dispositifs médicaux, l’administration de médicaments et la fabrication additive.
Révélations scientifiques sur la dynamique vitreuse
Plus précisément, en combinant théorie, simulations informatiques et expériences antérieures, les scientifiques ont expliqué pourquoi les molécules de ces matériaux, une fois refroidies, restent désordonnées comme un liquide jusqu’à prendre un virage brusque vers un état solide à une certaine température appelée température d’apparition. devenant effectivement si visqueux qu’ils bougent à peine. Ce début de rigidité – une transition de phase jusqu’alors inconnue – est ce qui différencie les liquides surfondus des liquides normaux.
Kranthi Mandadapu. Crédit : Kranthi Mandadapu
« Notre théorie prédit la température initiale mesurée dans les systèmes modèles et explique pourquoi le comportement des liquides surfondus autour de cette température rappelle celui des solides, même si leur structure est la même que celle du liquide », a déclaré Kranthi Mandadapu, chercheur au Berkeley Lab. Division des sciences chimiques et professeur de génie chimique à la Université de Californie, Berkeleyqui a dirigé les travaux publiés dans PNAS.
Tout liquide surfondu saute continuellement entre plusieurs configurations de molécules, entraînant des mouvements localisés de particules appelés excitations. Dans leur théorie proposée, Mandadapu, le chercheur postdoctoral Dimitrios Fraggedakis et l’étudiant diplômé Muhammad Hasyim ont traité les excitations dans un liquide surfondu en 2D comme s’il s’agissait de défauts dans un solide cristallin. À mesure que la température du liquide surfondu augmente jusqu’à la température initiale, ils proposent que chaque instance d’une paire liée de défauts se brise en une paire non limitée. C’est précisément à cette température que la déliaison des défauts a fait perdre au système sa rigidité et commencer à se comporter comme un liquide normal.
« La température de début de la dynamique vitreuse est comme une température de fusion qui « fait fondre » un liquide surfondu en un liquide. Cela devrait être pertinent pour tous les liquides surfondus ou les systèmes vitreux », a déclaré Mandadapu.
« Toute la quête consiste à comprendre au microscope ce qui sépare le liquide surfondu d’un liquide à haute température. »
– Kranthi Mandadapu
Aller de l’avant avec la recherche
La théorie et les simulations ont capturé d’autres propriétés clés de la dynamique vitreuse, notamment l’observation selon laquelle, sur de courtes périodes de temps, quelques particules se déplaçaient tandis que le reste du liquide restait gelé.
« Toute la quête consiste à comprendre au microscope ce qui sépare le liquide surfondu et un liquide à haute température », a déclaré Mandadapu.
Mandadapu et ses collègues pensent pouvoir étendre leur modèle aux systèmes 3D. Ils ont également l’intention de l’élargir pour expliquer comment des mouvements localisés conduisent à d’autres excitations proches, entraînant la relaxation de l’ensemble du liquide. Ensemble, ces composants pourraient fournir une image microscopique cohérente de la façon dont la dynamique vitreuse émerge, d’une manière conforme aux observations de pointe.
« D’un point de vue scientifique fondamental, il est fascinant d’examiner pourquoi ces liquides surfondus présentent une dynamique remarquablement différente de celle des liquides ordinaires que nous connaissons », a déclaré Mandadapu.
Cette recherche a été financée par l’Office of Science du ministère de l’Énergie.
