lunettes ZIF, une nouvelle famille de verre, pourrait combiner la transparence du verre de silicate avec la qualité non cassante du verre métallique, selon des chercheurs de Penn State et de l'Université de Cambridge au Royaume-Uni.

"Nous sommes sûrs de la transparence, " dit Jean Mauro, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State. "Nous devrons attendre que de plus gros échantillons puissent être fabriqués pour savoir s'il a l'étonnante ductilité du verre métallique, mais ça a l'air prometteur."

La plus récente classe de matériaux de formation de verre, cadres imidazolates zéolithiques (ZIF), a une structure dans laquelle les ions métalliques sont liés par des ligands organiques. Lorsqu'il est chauffé dans une plage limitée de températures élevées, certains matériaux ZIF vont fondre et se reformer en une structure vitreuse dans laquelle les atomes ont une structure désordonnée. Au-delà du potentiel d'un verre transparent et bien plus pliable, certains ZIF contiennent un grand nombre de pores fonctionnels qui peuvent être utilisés pour le stockage de gaz - des structures métal-organiques ont été proposées comme cages pour le stockage d'hydrogène pour les véhicules à pile à combustible, catalyse, la séparation des gaz ou même l'administration de médicaments.

"Les ZIF sont si nouveaux que les gens découvrent juste quelles chimies forment des verres, " a déclaré Mauro. " L'objectif de notre groupe est d'accélérer la conception de ces nouvelles lunettes grâce à la modélisation. "

Dans deux articles de revues récents, Mauro et ses collègues ont utilisé différentes méthodes de modélisation pour approfondir la compréhension et prédire les propriétés des verres ZIF. La première méthode de modélisation, ReaxFF, a été développé par Adri van Duin, professeur de génie mécanique à Penn State, qui est co-auteur des deux articles. ReaxFF est une méthode de calcul rapide et économique pour simuler la fusion et le reformage de matériaux candidats.

"Il est difficile de simuler ces systèmes car les modèles sont généralement développés soit pour des systèmes organiques, soit pour des systèmes inorganiques, mais pas les deux, " dit Yongjian Yang, Chercheur postdoctoral de Mauro et auteur principal des deux articles. "Plus, contrairement à ReaxFF, d'autres modèles ne permettent pas la rupture et la reformation de la liaison qui ont lieu lors du formage du verre."

Yang a ajouté que l'utilisation de ReaxFF réduit le temps nécessaire pour effectuer des simulations à quelques heures plutôt qu'à plusieurs jours qu'il aurait fallu avec des méthodes de mécanique quantique.

Dans l'article le plus récent, publié dans le Journal des lettres de chimie physique , les chercheurs ont utilisé une autre méthode de modélisation développée à l'origine pour une autre classe de verres appelés verres à chalcogénure.

"James Phillips a proposé que nous puissions penser aux verres de la même manière qu'un ingénieur civil penserait à la conception d'une structure en treillis comme dans un pont ou la Tour Eiffel, " dit Mauro.

Philippe, qui était à Bell Labs à l'époque et est maintenant à l'Université Rutgers, a proposé une méthode d'optimisation du verre basée sur les degrés de liberté des atomes par rapport au nombre de liaisons rigides avec d'autres atomes. Lorsque les liens égalent les degrés de liberté - la capacité de monter, vers le bas ou sur le côté - le système est généralement dans l'état optimal pour former un verre stable.

Mauro, qui était chez Corning Incorporated, et Prabhat Gupta, de l'État de l'Ohio, étendu la théorie pour développer ce qu'on appelle la théorie des contraintes dépendantes de la température, ce qui explique la rupture de liaison à haute température, et a également étendu la théorie pour faire des prédictions quantitatives des propriétés du verre.

"Parce que notre théorie est basée sur le comptage des liaisons et des atomes, c'est quelque chose qui peut être résolu avec un crayon et du papier, " a déclaré Mauro. "Nous pouvons faire des prédictions précises de propriétés telles que la dureté du verre, module d'élasticité, viscosité et la température de transition vitreuse."

Bien que leur théorie, formulé en 2008, a été appliqué avec succès à de nombreux systèmes de verre oxydé et utilisé dans la formulation de compositions de verre industriel, ce document est la première fois qu'il est appliqué au système de verre métal-organique ZIF.

Thomas Bennett de l'Université de Cambridge dirige la partie expérimentale du travail, incluant la synthèse d'échantillons ZIF, qui ne mesurent actuellement que quelques millimètres.

« Il y a encore beaucoup de défis à relever, " a déclaré Mauro. "Nous espérons utiliser ces approches de modélisation pour prédire les verres que nous pouvons utiliser pour passer à l'échelle industrielle, puis commercialiser. Ne serait-il pas formidable d'avoir un verre à la fois optiquement transparent et mécaniquement ductile ? »