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    La transition vitreuse est-elle pilotée par la thermodynamique ?

    Transition vitreuse pilotée par la thermodynamique. Crédit :Hajime Tanaka

    Les substances vitreuses sont partout, pourtant cet état de la matière n'est pas complètement compris. L'image de base est assez claire :les verres sont des solides qui n'ont pas la structure atomique régulière d'un cristal. Comment et pourquoi ils se forment, cependant, sont des questions qui ont occupé les physiciens pendant des décennies. Maintenant, des recherches au Japon ont montré que la formation du verre peut être comprise si la structure du liquide est correctement décrite.

    Dans Examen physique X , des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles (IIS) de l'Université de Tokyo donnent une étude détaillée des changements structurels au cours de la transition vitreuse. Dans un ensemble bien conçu de simulations de dynamique moléculaire, ils visaient à déterminer si le processus est fondamentalement thermodynamique (dépendant d'une certaine forme d'ordre statique) ou dynamique (conduit par des mouvements atomiques aléatoires).

    L'équipe a simulé des liquides surfondus près du point de transition, la température à laquelle la diffusion des particules s'arrête et un solide amorphe apparaît. L'objectif était de trouver un lien entre les modèles structurels et le ralentissement du mouvement atomique, c'est à dire., si les atomes dans les structures émergentes sont moins mobiles que dans les régions désordonnées. S'il existe, cette corrélation structure-dynamique vérifierait que la thermodynamique contrôle la formation des verres, tout comme pour les cristaux. Ce serait un grand pas vers une théorie universelle. Cependant, puisque les verres sont apparemment désordonnés à longue portée, l'importance de l'ordre local est insaisissable.

    Dans chaque simulation, l'équipe a quantifié à quel point les atomes se sont regroupés dans le liquide de refroidissement en mesurant un paramètre d'ordre structurel. Comme l'explique l'auteur de l'étude Hua Tong, "Nous avons pris soin de définir la commande comme tout emballage local qui était stériquement favorisé, pas seulement un emballage cristallin. Lorsque les atomes ont été classés par ce critère puis quantifiés par leurs environnements, connu sous le nom de gros grain, une corrélation claire a émergé entre l'ordre structurel et la dynamique. » En d'autres termes :les atomes plus ordonnés étaient en effet moins mobiles.

    La formation du verre se produit sur deux échelles de temps :un processus alpha lent (α) et un processus bêta rapide (β). Le lien entre ces modes est, comme beaucoup d'autres dans la théorie du verre, entouré de mystère. L'équipe IIS a découvert que la corrélation structure-dynamique était la plus forte lorsqu'une longueur spécifique était utilisée pour le grain grossier. Cette longueur, qui augmente progressivement au fur et à mesure que le liquide se refroidit, correspond parfaitement à la longueur caractéristique de l'hétérogénéité dynamique qui maximise à l'échelle de temps α. Pendant ce temps, la taille des atomes eux-mêmes est liée au mode rapide. Par conséquent, tout liquide vitreux dépend de ce couple d'intrinsèques, longueurs caractéristiques.

    "La découverte de ces échelles de longueur résout deux problèmes à la fois, " dit l'auteur Hajime Tanaka. " Premièrement, en utilisant des statistiques robustes, nous montrons que la formation du verre est vraiment thermodynamique. Malgré leur caractère aléatoire apparent, les liquides vitreux montrent un ordre subtil, bien que moins directionnelle que dans les cristaux. Seconde, les modes α et β ont une origine structurelle commune, même s'ils suivent des échelles de longueur différentes. Cela révèle un lien intrinsèque entre ces deux modes dynamiques importants. Maintenant, la question est de savoir si le lien structure-dynamique est plus qu'une simple corrélation. À l'avenir, nous espérons trouver une causalité directe."

    L'article, "Révéler l'ordre structurel caché contrôlant à la fois la dynamique vitreuse rapide et lente dans les liquides en surfusion, " a été publié dans Examen physique X sur doi.org/10.1103/PhysRevX.8.011041

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