Tout n'est pas clair dans le verre. Comment ses atomes sont disposés et se comportent, en particulier, est étonnamment opaque.

Le problème est que le verre est un solide amorphe, une classe de matériaux qui se situe dans le domaine mystérieux entre le solide et le liquide. Les matériaux vitreux comprennent également les polymères, ou des plastiques couramment utilisés. Bien qu'il puisse sembler stable et statique, les atomes de verre se mélangent constamment dans une recherche d'équilibre désespérément futile. Ce comportement instable a rendu la physique du verre presque impossible pour les chercheurs à cerner.

Désormais une équipe multi-institutionnelle comprenant la Northwestern University, L'Université d'État du Dakota du Nord et le National Institute of Standards and Technology (NIST) ont conçu un algorithme dans le but de donner un peu plus de clarté aux verres polymères. L'algorithme permet aux chercheurs de créer des modèles à gros grains pour concevoir des matériaux aux propriétés dynamiques et prédire leurs comportements en constante évolution. Appelé "algorithme de renormalisation d'énergie, " il est le premier à prédire avec précision le comportement mécanique du verre à différentes températures et pourrait permettre la découverte rapide de nouveaux matériaux, conçu avec des propriétés optimales.

« Le processus actuel de découverte de matériaux peut prendre des décennies, " a déclaré Sinan Keten de Northwestern, qui a codirigé la recherche. "Notre approche multiplie les simulations moléculaires par un millier environ, afin que nous puissions concevoir des matériaux plus rapidement et examiner leur comportement."

"Bien que les matériaux vitreux soient partout autour de nous, les scientifiques ont encore du mal à comprendre leurs propriétés, tels que leur fluidité et leur diffusion selon que la température ou la composition varient, " a déclaré Jack F. Douglas, un chercheur du NIST, qui a codirigé le travail avec Keten. "Ce manque de compréhension est une sérieuse limitation dans la conception rationnelle de nouveaux matériaux."

L'étude publiée récemment dans la revue Avancées scientifiques . Wenjie Xia, professeur adjoint de génie civil et environnemental à la North Dakota State University, était le premier auteur de l'article.

Le comportement étrange du verre découle de la façon dont il est fabriqué. Il commence comme un bain chaud de matériau en fusion qui est ensuite rapidement refroidi. Bien que le matériau final veuille atteindre l'équilibre à l'état refroidi, il est très sensible aux changements de température. Si le matériau est chauffé, ses propriétés mécaniques peuvent changer radicalement. Cela rend difficile pour les chercheurs de prédire efficacement les propriétés mécaniques en utilisant les techniques de simulation moléculaire existantes.

"Aussi simple que le verre a l'air, c'est un matériau très étrange, " dit Keten, professeur agrégé de génie mécanique et de génie civil et environnemental à la McCormick School of Engineering de Northwestern. "Il est amorphe et n'a pas de structure d'équilibre, il évolue donc constamment par les mouvements lents de ses molécules. Et puis il y a beaucoup de variation dans la façon dont il évolue en fonction de la température et des caractéristiques moléculaires de chaque matériau vitreux. Ces processus prennent beaucoup de temps à calculer dans les simulations moléculaires. Accélérer les calculs n'est possible que si nous pouvons mapper les positions des molécules sur des modèles structurels plus simples. »

La structure du verre contraste fortement avec un solide cristallin, dans lequel les atomes sont disposés en ordre, manière prévisible et symétrique. "Il est facile de cartographier les atomes dans les matériaux cristallins car ils ont une structure répétitive, " expliqua Keten. " Alors que dans un matériau amorphe, il est difficile de cartographier la structure en raison du manque d'ordre à longue distance."

"En raison de la nature amorphe et désordonnée du verre, ses propriétés peuvent varier considérablement avec la température, rendant la prédiction de son comportement physique extrêmement difficile, " Xia a ajouté. " Maintenant, nous avons trouvé une nouvelle façon de résoudre ce problème."

Pour relever ce défi, Keten, Douglas, Xia et leurs collaborateurs ont conçu leur algorithme pour prendre en compte les nombreuses façons dont les molécules de verre se déplaceraient ou ne se déplaceraient pas en fonction des variations de température au fil du temps. Calculer la position de chaque atome dans le verre serait extrêmement lent et fastidieux, même pour un algorithme puissant, à calculer. Keten et ses collaborateurs ont donc utilisé « une modélisation à gros grains, " une approche simplifiée qui examine les amas d'atomes plutôt que les atomes uniques. Leur nouvelle méthodologie crée efficacement des paramètres pour les interactions entre ces particules plus grossières afin que le modèle puisse capturer le ralentissement spectaculaire du mouvement moléculaire lorsque le matériau vitreux se refroidit.

"Nous ne pouvons pas faire une simulation atome par atome même pour des films de verre d'épaisseur nanométrique, car même cela serait trop grand, " dit Keten. " C'est encore des millions de molécules. Les modèles à gros grains nous permettent d'étudier des systèmes plus grands comparables aux expériences réalisées en laboratoire. »

Jusque là, Keten et son équipe ont comparé leur algorithme à trois types de liquides polymériques formant du verre déjà bien caractérisés et très différents. Dans chaque cas, l'algorithme prédit avec précision les propriétés dynamiques connues sur une large plage de températures.

« Expliquer la physique des lunettes a été l'un des plus gros problèmes que les scientifiques n'ont pas été en mesure de résoudre, " a déclaré Keten. "Nous nous rapprochons de la compréhension de leur comportement et de la résolution du mystère."