À moins que vous ne soyez un scientifique des matériaux, ce que la plupart d'entre nous ne sommes pas après tout, le terme « lunettes » évoque probablement des choses telles que les vitres, verres à boire ou lunettes. Presque personne ne pensera aux métaux. Mais des verres métalliques, ou « métaux amorphes » comme on les appelle également, jouent un rôle de plus en plus important dans la recherche scientifique et technologique.

Lorsque les métaux fondus sont refroidis si rapidement qu'ils se solidifient en une fraction de seconde, ils restent chaotiques et désordonnés au niveau atomique. S'ils avaient été refroidis lentement, les atomes auraient eu le temps de se réarranger et de former une structure en réseau cristallin ordonné, mais un refroidissement très rapide signifie que les atomes dans la masse fondue liquide désordonnée n'ont pas suffisamment de temps pour se réarranger et sont essentiellement gelés en position. Ce désordre atomique confère à ces verres métalliques « hors équilibre » des propriétés assez différentes de celles de l'alliage cristallin ordonné qui se formerait lorsque les mêmes constituants subiraient un refroidissement plus lent plus conventionnel. Les verres métalliques peuvent être aussi résistants que l'acier tout en ayant l'élasticité d'un polymère.

La plupart des matériaux de l'univers sont amorphes, ce qui signifie qu'ils sont chaotiques et désorganisés et n'ont pas l'ordre à longue distance trouvé dans les solides cristallins. Même l'eau, qui dans son état gelé a une structure cristalline régulière ici sur Terre, est vitreux ou amorphe dans l'univers plus large, comme l'eau trouvée dans les comètes à des températures inférieures à -150 °C. D'un point de vue scientifique, le passage de l'état liquide à l'état solide amorphe est d'un intérêt fondamental.

"Ce qui se passe exactement pendant la vitrification n'est pas encore vraiment bien compris, " dit Isabella Gallino. En travaillant avec des collègues d'Espagne (Dr Daniele Cangialosi, Dr Xavier Monnier), France (Dr. Beatrice Ruta) et Allemagne (Professeur Ralf Busch, également de l'Université de la Sarre), Le Dr Gallino a étudié avec des détails sans précédent ce qui se passe au niveau atomique lorsqu'un alliage liquide métastable se vitrifie pour former un verre solide.

En utilisant des faisceaux de rayons X extrêmement brillants et cohérents générés à l'Installation européenne de recherche sur le synchrotron à Grenoble, Gallino et ses collègues ont étudié les réarrangements atomiques se produisant dans un alliage d'or spécial lorsqu'il était refroidi d'environ 150 °C (état liquide) à environ 115 °C (congelé, état vitreux). En utilisant cette technique, l'équipe de recherche a pu observer comment le mouvement des atomes diminuait à mesure que le matériau gelait. Le processus de congélation lui-même a également été étudié à l'aide d'un nouveau calorimètre flash, un calorimètre à balayage rapide qui permet d'atteindre des vitesses de chauffage et de refroidissement extrêmement élevées. Précédemment, personne n'avait pu observer ce qui se passait dans la gamme de vitrification avec ce niveau de précision.

"Jusqu'à maintenant, personne n'avait réussi à faire ces observations sur une si large gamme de vitesses de chauffage et de refroidissement, " explique Isabelle Gallino, qui travaille actuellement sur son Habilitation, un diplôme de recherche avancée qui permet au titulaire d'enseigner au niveau professoral en Allemagne. Il y a dix ans, des études de ce type n'étaient tout simplement pas réalisables pour des raisons techniques. À ce moment-là, les scientifiques n'avaient pas la possibilité de soumettre ces matériaux à des faisceaux de rayons X synchrotron extrêmement brillants, ils n'avaient pas non plus accès aux calorimètres à balayage rapide qui permettent d'enregistrer les transitions de phase et autres transformations à des taux de température allant jusqu'à 100, 000 degrés par seconde. Aujourd'hui, ces deux options sont disponibles et Isabella Gallino et ses collègues en ont fait bon usage.

Dans leur article de recherche publié dans le respecté, Revue à comité de lecture Avancées scientifiques , l'équipe a montré que leurs résultats remettaient en question un paradigme précédemment accepté de la recherche en science des matériaux. "Jusqu'à maintenant, la sagesse conventionnelle a soutenu que le taux auquel le liquide gèle est le même que le soi-disant taux de relaxation alpha, c'est-à-dire la vitesse à laquelle la mobilité primaire des atomes diminue lorsque la température est abaissée, " explique le Dr Gallino. " Mais cette corrélation un à un n'est pas ce que nous observons réellement. "

"C'est parce que la masse fondue comprend des atomes de diverses sortes et de tailles très différentes. Lorsque les gros atomes, comme l'or, ont déjà gelé et sont essentiellement immobiles, les plus petits atomes, comme le silicium, peuvent toujours se déplacer et « jogger » dans leurs positions énergétiquement préférées, " dit Isabella Gallino. En raison de ce flux collectif d'atomes de plus petite taille, il y a encore une mobilité globale au sein de la matière, qui continue à se comporter comme un liquide. Ce n'est que lorsque les atomes plus petits gèlent finalement, que le liquide se solidifie complètement dans un verre.

Cette nouvelle découverte fondamentale d'Isabella Gallino et de ses collègues de recherche a des implications pour la recherche mondiale menée sur les métaux amorphes et d'autres matériaux verriers tels que les polymères et les liquides ioniques. Une meilleure compréhension du processus de vitrification facilitera non seulement la création de nouveaux matériaux spécialisés à l'avenir, mais nous donnera un meilleur aperçu du comportement des matériaux amorphes existants.