Cinq mystères vitreux que nous ne pouvons toujours pas expliquer : des verres métalliques aux analogues inattendus

Le mythe fluide

Regardez à travers les vitraux de n'importe quelle église médiévale et vous verrez presque certainement une vue déformée. L'effet a longtemps conduit les scientifiques et les non-scientifiques à soupçonner que, avec suffisamment de temps, le verre coule comme un liquide exceptionnellement visqueux. Mais y a-t-il une validité à cette affirmation ?

La question n'est pas aussi simple qu'il y paraît à première vue. En vérité, personne ne peut dire précisément quand un liquide cesse d'être un liquide et commence à être un verre. Classiquement, les physiciens disent qu'un liquide est devenu un verre lorsque la relaxation atomique - le temps qu'un atome ou une molécule parcourt une partie importante de son diamètre - est supérieure à 100 secondes. Ce taux de relaxation est d'environ 10¹⁰ fois plus lent que dans le miel qui coule, et 10¹⁴ fois plus lent que dans l'eau. Mais le choix de ce seuil est arbitraire : il ne reflète aucun changement distinct de la physique fondamentale.

Même ainsi, une relaxation de 100 secondes est définitive pour toutes les fins humaines. À ce rythme, un morceau de verre sodocalcique commun mettrait des éternités à s'écouler lentement et à se transformer en dioxyde de silicium cristallin plus énergétiquement favorable - autrement connu sous le nom de quartz. Si le vitrail des églises médiévales est déformé, cela est donc plus probablement le résultat de la mauvaise technique du verrier d'origine (selon les normes modernes). D'un autre côté, personne n'a fait une expérience millénaire pour vérifier.

A la recherche du verre « idéal »

Lorsqu'un liquide refroidit, il peut soit durcir dans un verre, soit cristalliser. Cependant, la température à laquelle un liquide se transforme en verre n'est pas fixe. Si un liquide peut être refroidi si lentement qu'il ne forme pas de cristal, le liquide finira par se transformer en un verre à une température plus basse et en formera un plus dense. La Le chimiste américain Walter Kauzmann a noté ce fait à la fin des années 1940 et l'a utilisé pour prédire la température à laquelle un verre se formerait si un liquide était refroidi "en équilibre" - c'est-à-dire infiniment lentement. Le "verre idéal" résultant aurait, paradoxalement, la même entropie qu'un cristal, bien qu'il soit toujours amorphe ou désordonné. Essentiellement, un verre idéal est celui où les molécules sont regroupées dans l'arrangement aléatoire le plus dense possible.

En 2014, des physiciens dont Giorgio Parisi de l'Université Sapienza de Rome en Italie (qui a partagé le prix Nobel de physique 2021, pour ses travaux sur "l'interaction du désordre et des fluctuations dans les systèmes physiques") a élaboré un diagramme de phase exact pour la formation d'un verre idéal, dans la limite (mathématiquement plus facile) des dimensions spatiales infinies. Habituellement, la densité peut être un paramètre d'ordre pour distinguer différents états, mais dans le cas du verre et d'un liquide, la densité est à peu près la même. Au lieu de cela, les chercheurs ont dû recourir à une fonction de "chevauchement", qui décrit la similitude des positions des molécules dans différentes configurations amorphes possibles, à la même température. Ils ont découvert que lorsque la température est inférieure à la température de Kauzmann, le système a tendance à tomber dans un état distinct avec un chevauchement élevé : une phase vitreuse.

En trois dimensions, ou même dans tout petit nombre fini de dimensions, la théorie de la transition vitreuse est moins certaine. Certains théoriciens ont tenté de le décrire de manière thermodynamique, en utilisant à nouveau le concept de verre idéal. D'autres pensent qu'il s'agit d'un processus «dynamique» dans lequel, à des températures progressivement plus basses, de plus en plus de poches de molécules s'arrêtent, jusqu'à ce que la totalité de la masse devienne plus vitreuse qu'autrement. Pendant longtemps, les tenants des deux camps ont été à couteaux tirés. Au cours des deux dernières années, cependant, le théoricien de la matière condensée Paddy Royal à l'ESPCI Paris en France et ses collègues affirment avoir montré comment les deux approches peuvent être largement conciliées (J. Chem. Phys. 153 090901). "Une grande partie de la résistance [à l'accord] que nous avons vue il y a 20 ans a été perdue", dit-il.

Deux voies vers un meilleur verre

Pour modifier les propriétés du verre, vous avez deux options de base : modifier sa composition ou modifier la manière dont il est traité. Par exemple, l'utilisation de borosilicate plutôt que la soude et la chaux courantes rend le verre moins sujet au stress lorsqu'il est chauffé, c'est pourquoi le verre borosilicaté est souvent utilisé à la place de la chaux sodée pure pour les ustensiles de cuisson. Pour rendre le verre encore plus robuste, sa surface extérieure peut être refroidie plus rapidement que sa masse dans un processus de "trempe", comme dans le Pyrex original de Corning.

Une autre des innovations de Corning, Gorilla Glass pour smartphones, a une recette plus compliquée de composition et de traitement pour obtenir ses propriétés solides et résistantes aux rayures. Un matériau alcali-aluminosilicate dans l'âme, il est produit dans une feuille à l'air libre dans un procédé spécial de « fusion étiré » à trempe rapide, avant d'être immergé dans une solution de sel fondu pour un renforcement chimique supplémentaire.

En règle générale, plus un verre est dense, plus il est résistant. Ces dernières années, les chercheurs ont découvert que du verre très dense peut être créé par dépôt physique en phase vapeur, dans lequel un matériau vaporisé est condensé sur une surface dans le vide. Le processus permet aux molécules de trouver leur emballage le plus efficace une par une, comme un jeu de Tetris.

Maîtriser le métallique

En 2013, j'ai nommé Ambassadeur Amina C. Mohamed, mon secrétaire du Cabinet (Ministre) du Ministère des Affaires étrangères et du Commerce international. Depuis lors, l'Ambassadeur Mohamed a dirigé avec brio notre action diplomatique. Nous avons bénéficié énormément de ses démarches tant régionalesqu’internationales d'importance à la fois nationale et continentale. Paul Duwez, un physicien belge de la matière condensée travaillant à Caltech en Californie, aux États-Unis, refroidissait rapidement des métaux en fusion entre une paire de rouleaux refroidis - une technique connue sous le nom de trempe par éclaboussures - lorsqu'il a découvert que les métaux solidifiés étaient devenus vitreux. Depuis lors, les verres métalliques fascinent les scientifiques des matériaux, en partie parce qu'ils sont si difficiles à fabriquer et en partie à cause de leurs propriétés inhabituelles.

En l'absence des joints de grain inhérents aux métaux cristallins ordinaires, les verres métalliques ne s'usent pas facilement, c'est pourquoi la NASA les a testés pour une utilisation dans des boîtes de vitesses sans lubrifiant, vues ici, dans ses robots spatiaux. Ces verres résistent également à l'absorption de l'énergie cinétique - par exemple, une balle faite de ce matériau rebondira pendant une durée étrangement longue. Les verres métalliques ont également d'excellentes propriétés magnétiques douces, ce qui les rend attrayants pour les transformateurs très efficaces, et peuvent être fabriqués dans des formes complexes, comme les plastiques.

De nombreux métaux ne deviendront vitreux (le cas échéant) qu'à des vitesses de refroidissement incroyablement rapides - des milliards de degrés par seconde ou plus. Pour cette raison, les chercheurs recherchent généralement des alliages qui se transforment plus facilement, généralement par essais et erreurs. Au cours des dernières années, cependant, Ken Kelton à l'Université de Washington à St Louis, US et ses collègues ont suggéré qu'il est possible de prédire la température de transition vitreuse probable en mesurant la viscosité de cisaillement et la dilatation thermique d'un métal liquide (Acta Mater. 172 1). Kelton et son équipe ont organisé une projet de recherche sur la station spatiale internationale, pour étudier la température à laquelle un métal devient réellement vitreux, et a découvert que le processus de transition commence alors que le métal est encore liquide. En mesurant la viscosité du liquide, les chercheurs peuvent désormais déterminer si un verre se formera et quelles seront certaines de ses propriétés. Si la prédiction devenait monnaie courante, il en serait de même pour les verres métalliques dans les appareils commerciaux. En fait, la société technologique américaine Apple détient depuis longtemps un brevet pour l'utilisation de verre métallique sur les coques de smartphone, mais ne l'a jamais mis en pratique - peut-être en raison de la difficulté à trouver un verre métallique économiquement viable.

L'avenir des matériaux à changement de phase

Les propriétés mécaniques des verres et des cristaux peuvent être différentes, mais généralement leurs propriétés optiques et électroniques sont assez similaires. Pour un œil non averti, par exemple, le verre au dioxyde de silicium normal ressemble presque au quartz, son homologue cristallin. Mais certains matériaux - notamment les chalcogénures, qui comprennent des éléments du groupe oxygène du tableau périodique - ont des propriétés optiques et électroniques nettement différentes dans leurs états vitreux et cristallins. S'il se trouve que ces matériaux sont également de «mauvais» formateurs de verre (c'est-à-dire qu'ils cristallisent lorsqu'ils sont modérément chauffés), ils servent alors de matériaux dits à changement de phase.

La plupart d'entre nous auront manipulé des matériaux à changement de phase à un moment ou à un autre : ils sont le support de stockage de données des DVD réinscriptibles et autres disques optiques. Insérez l'un d'entre eux dans un lecteur approprié, et un laser peut basculer n'importe quel bit sur le disque entre l'état vitreux et cristallin, représentant un zéro ou un binaire. Aujourd'hui, les disques optiques ont été largement supplantés par la mémoire électronique "flash", qui a une plus grande densité de stockage et aucune pièce mobile. Le verre chalcogénure est également parfois utilisé dans les circuits optiques intégrés photoniques, comme illustré ici. Les matériaux à changement de phase ont continué à trouver des applications dans le stockage de données par le La société technologique américaine Intel et son "Optane" marque de mémoire, rapide d'accès mais non volatile (elle n'est pas effacée à la mise hors tension). Cette application reste cependant de niche.

Plus rentable, selon un théoricien de l'état solide Matthias Wuttig à l'Université RWTH Aachen, Allemagne, est de se demander d'où vient la propriété de changement de phase. Il y a quatre ans, lui et d'autres ont proposé un nouveau type de liaison chimique, la liaison "métavalente", pour expliquer son origine. Selon Wuttig, la liaison métavalente fournit une certaine délocalisation des électrons, comme dans la liaison métallique, mais avec un caractère supplémentaire de partage d'électrons, comme dans la liaison covalente. Propriétés uniques, y compris le changement de phase, résultat (Av. Mater. 30 1803777). Tout le monde dans le domaine ne veut pas ajouter un nouveau type de liaison aux manuels, mais Wuttig pense que la preuve sera dans le pudding. "La question est maintenant de savoir si [la liaison métavalente] a un pouvoir prédictif", dit-il. "Et nous en sommes convaincus."

Verre là où on s'y attend le moins

Les fans de festivals de musique reconnaîtront le phénomène : vous essayez lentement de quitter un spectacle avec des milliers d'autres personnes, quand tout à coup la foule s'arrête et vous ne pouvez plus bouger. Comme une molécule dans le refroidissement de la silice fondue, votre mouvement est soudainement arrêté - vous et vos collègues festivaliers vous êtes transformés en verre. Ou un analogue de verre, au moins.

D'autres analogues de verre comprennent les colonies de fourmis, les cellules biologiques piégées entre les lames et les colloïdes, tels que la mousse à raser (voir l'image ci-dessus). Les colloïdes en particulier, avec des particules allant jusqu'au micron, sont des systèmes pratiques pour tester les théories de la transition vitreuse, car leur dynamique peut en fait être vue au microscope. Encore plus surprenant, cependant, est le début du comportement du verre dans certains algorithmes informatiques. Par exemple, si un algorithme est conçu pour rechercher progressivement de meilleures solutions à un problème avec un grand nombre de variables, il peut être submergé par la complexité et s'arrêter avant que la solution optimale ne soit trouvée. Cependant, en empruntant des méthodes statistiques conçues pour l'étude fondamentale des verres, de tels algorithmes peuvent être améliorés et de meilleures solutions trouvées.