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Réinventer le verre : une percée dans la stabilité atomique

SciTechDaily

De nouvelles recherches ont découvert l’importance des structures d’anneaux atomiques dans le verre, révélant comment leur stabilité influence les performances et les températures de transition du verre. Cette avancée dans la compréhension de la dynamique moléculaire du verre facilite la conception de meilleurs produits en verre pour des applications hautes performances.

Le verre est de plus en plus utilisé dans divers domaines de haute performance, couvrant les applications grand public et industrielles, l’électronique militaire et aérospatiale, ainsi que les revêtements et l’optique. Étant donné les rigueurs précision requis dans des produits tels que les téléphones mobiles et les avions à réaction, il est essentiel que les substrats en verre conservent leur forme inchangée tout au long du processus de fabrication.

Corning Incorporated, fabricant de verre, de céramique et de matériaux associés innovants, investit d’énormes ressources dans l’étude de la stabilité de différents types de verre. Récemment, des chercheurs de Corning ont découvert que comprendre la stabilité des anneaux atomiques dans les matériaux en verre peut les aider à prédire les performances des produits en verre. Cette capacité est importante car le verre le plus largement utilisé est le verre silicaté, constitué d’anneaux atomiques de différentes tailles reliés en trois dimensions.

Expériences de diffusion de neutrons

En menant des expériences de diffusion de neutrons au laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie, les scientifiques de l’ORNL et de Corning ont découvert qu’à mesure que le nombre d’anneaux atomiques plus petits et moins stables dans un verre augmente, l’instabilité ou la fragilité liquide du verre augmente également. Les résultats des expériences neutroniques, publiés dans Communications naturelles, révèlent une corrélation claire entre la structure cyclique atomique à moyenne portée d’un verre de silicate et sa fragilité liquide. La viscosité du verre liquide change considérablement lorsqu’il est refroidi jusqu’à la température de transition vitreuse. Un liquide plus fragile aura un changement de viscosité plus important avec un changement de température donné.

Les anneaux atomiques affectent la fragilité du verre

Les scientifiques du laboratoire national d’Oak Ridge et de Corning ont découvert qu’à mesure que le nombre d’anneaux atomiques plus petits et moins stables dans un verre augmente, l’instabilité, ou fragilité liquide, du verre augmente également. Crédit : Titanas d’Athènes, Grèce

« Auparavant, le mécanisme à l’origine des transitions vitreuses avait échappé aux scientifiques », a déclaré Ying Shi, auteur correspondant de l’article de l’étude et associé de recherche chez Corning. « On ne comprenait pas clairement pourquoi certains types de verre se solidifiaient plus rapidement ou plus lentement. »

Shi et ses collaborateurs de Corning, de l’Université de Californie à Los Angeles et du Université d’Oxford a travaillé avec les scientifiques de la ligne de lumière du diffractomètre à neutrons NOMAD à la source de neutrons de spallation de l’ORNL pour étudier le verre aluminosilicate, couramment utilisé par l’industrie.

Développement de RingFSDP

À l’aide d’un outil d’analyse de données de diffusion de neutrons récemment développé et validé, RingFSDP, l’équipe a identifié des modèles clés dans les données collectées qui ont révélé la relation entre la fragilité du liquide dans le verre et la stabilité de son anneau atomique.

RingFSDP est un programme gratuit et open source développé par des scientifiques de Corning et ORNL pour étudier les structures d’anneaux atomiques du verre silicaté. Il dérive les distributions de taille d’anneau dans le verre silicaté à partir de la forme du premier pic de diffraction net dans les données de diffraction des neutrons.

« Relier la plage de températures de transition vitreuse aux caractéristiques structurelles sous-jacentes d’un verre aura un impact significatif sur la conception et la production du verre », a déclaré Douglas Allan, co-auteur de l’article et chercheur chez Corning. « Notre travail montre une corrélation claire entre la structure de l’anneau atomique d’un verre et sa plage de température de transition vitreuse et donc les caractéristiques de performance du verre. »

L’étude a réuni des chercheurs de la Division des sciences et technologies de Corning, du Laboratoire de physique des solides amorphes et inorganiques du Département de génie civil et environnemental de l’Université de Californie à Los Angeles, de la Division de diffusion des neutrons du SNS de l’ORNL et de l’équipe physique et théorique. Laboratoire de chimie de l’Université d’Oxford.

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