Le potentiel d'une technique de spectroscopie aux rayons X pour faire la lumière sur les phénomènes mystérieux qui se produisent lorsqu'un liquide se rapproche d'un état vitreux a été démontré par quatre physiciens RIKEN.

Au refroidissement, de nombreux liquides subissent un changement brusque à leurs points de congélation, s'accrocher aux solides cristallins. L'exemple le plus connu est l'eau, avec un point de congélation de 0 degré Celsius.

En revanche, de nombreux polymères liquides et autres matériaux passent par une transition plus gracieuse connue sous le nom de transition vitreuse. Les solides qu'ils forment ont des structures plus proches de l'ordre aléatoire d'un liquide que la structure ordonnée des solides cristallins tels que la glace et les métaux. Le verre en est un exemple classique :c'est un solide à température ambiante mais ses molécules sont disposées de manière désordonnée.

Il y a beaucoup de questions sans réponse sur la transition vitreuse. "Le phénomène de transition vitreuse est l'un des plus grands mystères de la physique de la matière molle, " note Taiki Hoshino du RIKEN SPring-8 Center. "Certains scientifiques se demandent même si la transition vitreuse est vraiment une transition ou si elle en ressemble simplement."

Une clé qui peut aider à percer les mystères de la transition vitreuse est le concept d'hétérogénéité dynamique - les fluctuations dans l'espace et le temps dans le comportement dynamique local des molécules. "De nombreux chercheurs pensent que la transition vitreuse peut s'expliquer en termes d'hétérogénéité dynamique, " dit Hoshino.

Maintenant, Hoshino et trois collègues du RIKEN SPring-8 Center ont utilisé des rayons X générés par un synchrotron pour mesurer l'hétérogénéité dynamique dans un polymère liquide près de sa température de transition vitreuse.

Lors des mesures, le polymère était pressé entre une tige cylindrique fixe et un substrat mobile. Le liquide plus proche du substrat s'est déplacé plus rapidement que le liquide près de la tige, résultant en un gradient de vitesse à travers le liquide. L'équipe a découvert que l'hétérogénéité dynamique diminuait à mesure que le gradient de vitesse augmentait. Cela a confirmé les prédictions d'une simulation de dynamique moléculaire publiée il y a plus de 20 ans.

Les chercheurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie de corrélation de photons aux rayons X (XPCS). Parce que les ondes lumineuses qui composent un faisceau laser sont toutes synchronisées les unes avec les autres, la lumière laser diffusée par un objet génère un motif de mouchetures sur un écran. XPCS utilise le motif de speckle généré par les rayons X pour obtenir des informations sur un échantillon. "Si les diffuseurs de l'échantillon bougent, le schéma de diffusion change, " explique Hoshino. " Ces fluctuations révèlent des informations sur le mouvement des diffuseurs. "

Hoshino note que XPCS n'a pas connu autant de popularité parmi les physiciens de la matière molle que d'autres techniques, mais il espère que cette étude convaincra d'autres de son potentiel. "Nos résultats montrent que XPCS est une technique puissante pour étudier la transition vitreuse, " il dit.