Pendant des siècles, les humains ont utilisé du verre dans leur art, leurs outils et leur technologie. Malgré l'omniprésence de ce matériau, beaucoup de ses propriétés microscopiques ne sont pas bien comprises, et elle continue de défier la description physique conventionnelle.
Entrez Koun Shirai de l'Université d'Osaka. Dans un article publié dans FondationsShirai comble la théorie physique conventionnelle et l'étude des matériaux sans équilibre pour fournir une description robuste pour la thermodynamique des verres.
La plupart des matériaux existent dans un état d'équilibre, ce qui signifie que les forces et les couples sur les atomes du matériau sont tous équilibrés. Les lunettes, cependant, sont une exception célèbre: ce sont des matériaux solides amorphes dont les atomes réarrangent toujours, bien que très lentement, vers un état d'équilibre mais n'existent pas en équilibre.
« Si vous comparez les structures atomiques des verres et des cristaux, ils sont en fait très différents », explique Shirai. « Les cristaux ont des atomes disposés dans des réseaux soignés, tandis que les lunettes ont des atomes plus désorganisés, similaires à un liquide. Ainsi, on considère traditionnellement les verres comme des liquides hors équilibre qui coulent très, très lentement. »
Ce manque d'état d'équilibre a posé un défi majeur pour les générations de physiciens. Étant donné que les lunettes ne sont techniquement pas en équilibre, les lois standard de la thermodynamique ne s'appliquent pas à eux, ce qui les rend difficiles à analyser.
« Dans la thermodynamique, les systèmes sont généralement caractérisés en termes de variables appelées paramètres de commande », explique Shirai. « Les paramètres de commande peuvent être utilisés pour décrire dans quel état se trouve un matériau ou à quel point il est proche de l'évolution des états. Cependant, le paradoxe est que les lunettes sont intrinsèquement désordonnées, alors comment définissons-nous de manière significative ces paramètres pour ces matériaux? »
Pour répondre à cette question, Shirai a dû redéfinir ce que signifie «l'équilibre»: dans son cadre, un matériau est en équilibre si l'énergie ne peut pas en être extraite sans impact sur son environnement. De ce point de vue, les lunettes sont en fait en équilibre et les outils de la thermodynamique peuvent être faits pour s'appliquer avec une certaine modification.
« On peut montrer que les paramètres de commande ne sont rien de plus que des positions moyennes des atomes », explique Shirai. « De cette façon, nous pouvons unifier la description thermodynamique des verres avec celle d'autres matériaux solides tels que les cristaux. »
Shirai estime que cette nouvelle formulation aidera à éclairer la physique d'autres matériaux qui sont généralement classés comme étant hors d'équilibre, tels que les systèmes biologiques. Grâce à ses recherches, il ne faut peut-être pas longtemps avant que nous ayons une description thermodynamique complète d'autres matériaux non périodiques et complexes.
