La fusion des cristaux est le processus par lequel une augmentation de la température induit la perturbation du réseau cristallin ordonné, conduisant à la structure désordonnée et à un comportement dynamique très fluctuant des liquides. À la transition du verre, où un solide amorphe (un verre) se transforme en liquide, il n'y a pas de changement de structure évident, et seule la dynamique des atomes change, passant d'une dynamique fortement localisée dans l'espace (à l'état de verre) à la dynamique très fluctuante (diffusive) dans le liquide.
La recherche du mécanisme à l'échelle atomique de la fusion des cristaux 3D a une longue histoire en physique, et des physiciens célèbres tels que Max Born, Neville Mott et Frederick Lindemann ont proposé différentes façons de l'examiner. J'ai toujours eu l'impression que nous ne comprenons toujours pas la fusion des cristaux 3D, ce qui est un processus coopératif très compliqué impliquant une dynamique non linéaire à couplage d'un grand nombre d'atomes. Cette complexité que j'ai toujours trouvée très fascinante.
Comparativement, la fusion des solides 2D, médiée par des dislocations non plus, est beaucoup mieux comprise, et la théorie qui le décrit a conduit au prix Nobel de physique 2017 pour Kosterlitz et Thouless.
Dans des travaux récents avec mes collaborateurs en Allemagne, j'ai découvert que la température à laquelle les cristaux fondent et la température à laquelle se transforment en liquide sont tous deux proportionnelles à la même quantité: il s'agit du rapport entre la fragilité du liquide surfacturé (qui mesure la forte augmentation de la visibilité en diminuant la température du liquide) et le coefficient d'expansion thermique.
Ce dernier mesure combien le matériau se dilate en augmentant la température, et donc aussi à quel point les deux atomes se déplacent plus loin à mesure que la température augmente. Mes collègues et moi avons découvert cette loi fondamentale empiriquement en assemblant des données expérimentales pour plus de 100 matériaux différents (polymères, systèmes atomiques et moléculaires, métaux, composés organiques).
Cependant, malgré sa simplicité, l'origine de cette loi est restée inexpliquée, car elle ne pouvait pas être dérivée mathématiquement d'une théorie des mouvements atomiques sous-jacents.
En travaillant avec mon collègue Konrad Samwer à l'Université de Goettingen (Allemagne) lors de mon professeur de visite de Gauss là-bas, j'ai finalement réussi à dériver mathématiquement cette loi de la considération de la façon dont les mouvements atomiques et les interactions interatomiques conspirent pour donner au matériel solide sa rigidité macroscopique (encodées dans le module de shear).
En prolongeant le critère de fusion d'origine introduit par Born pour inclure des mouvements atomiques dus aux défauts de réseau et aux fluctuations thermiques, et en combinant cela avec un modèle de comportement viscoélastique en raison de Maxwell, mon collègue et moi avons montré que, en effet, à la fois la température de fusion du cristal et la température de transition du verre (le fragilité) et le degré de coopérativité de la dynamique ATOMIQU proportionnel à l'expansion thermique du solide. Nos recherches sont publiées dans Le Journal of Chemical Physics.
Ces résultats, en plus de fournir une solution à un problème fondamental de la physique qui remonte à plus de 100 ans, peut être utilisé pour les matériaux par conception des matériaux de changement de phase – des matériaux avec une commutation accordable entre le liquide et le solide, ce qui peut être utile dans de nombreuses applications technologiques, de l'électronique à la défense.
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