Matériaux désordonnés, comme le verre utilisé dans les écrans des smartphones, ont de nombreuses propriétés utiles mais sont fragiles en cas de chute ou d'écrasement. De nouvelles recherches décrivent comment les forces externes entraînent le réarrangement des particules individuelles dans cette classe de matériaux. Cette découverte fondamentale pourrait permettre de nouvelles façons d'imprégner les matériaux de propriétés mécaniques uniques, comme un écran de téléphone qui ne se brisera pas, par exemple. Crédit :Université de Pennsylvanie
Une nouvelle recherche publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences décrit comment les forces externes entraînent le réarrangement des particules individuelles et forment des structures à microniveaux dans des matériaux désordonnés. L'étude, dirigé par l'étudiant diplômé Larry Galloway, post-doctorant Xiaoguang Ma, et les membres du corps professoral Paulo Arratia, Douglas Jerolmack, et Arjun Yodh, fournit de nouvelles informations sur la façon dont la structure microscopique des les solides vitreux sont liés à des facteurs de stress externes et aux changements qui en résultent dans les mouvements des particules individuelles. Ces découvertes offrent de nouvelles approches potentielles pour créer des matériaux personnalisables qui ont des propriétés mécaniques uniques.
À travers l'histoire, les gens ont cherché des moyens de rendre les matériaux plus résistants, souple, et résistant, qu'il s'agisse d'épées en acier Damas ou de caoutchouc vulcanisé. De nos jours, les technologies d'imagerie de pointe permettent aux scientifiques d'étudier les matériaux au niveau atomique, mais même avec cette résolution améliorée, il reste un défi d'étudier les matériaux lorsqu'ils sont soumis à des forces externes. Cela rend difficile le développement d'approches de conception « de bas en haut » qui peuvent imprégner les matériaux de propriétés mécaniques spécifiées.
Une classe de matériaux particulièrement exigeants, à la fois à étudier et à manipuler, est des matériaux désordonnés. Contrairement aux matériaux commandés, qui ont des structures cristallines avec des atomes dans des emplacements prévisibles bien définis, comme sur un treillis en nid d'abeille, les atomes dans les matériaux désordonnés sont disposés aléatoirement, comme des grains dans un tas de sable. Matériaux désordonnés, comme le verre utilisé dans les écrans des smartphones, ont de nombreuses propriétés utiles mais sont fragiles en cas de chute ou d'écrasement.
Pour mieux comprendre comment des matériaux désordonnés pourraient être modifiés de manière à leur donner de nouvelles propriétés, les chercheurs les ont étudiés lors de la déformation plastique. Ce processus, où la matière est amenée à s'écouler et les atomes, molécules, ou les particules qui composent le matériau peuvent facilement glisser les unes sur les autres, provoque des réarrangements permanents dans la structure globale du matériau. L'objectif des chercheurs était de rechercher des relations quantifiables reliant la capacité d'un matériau à changer sous l'influence d'un stress externe à la façon dont les particules individuelles se réorganisent.
L'équipe a mené des expériences en utilisant un matériau désordonné "modèle" composé de 50, 000 particules colloïdales conçues pour imiter les atomes. Les « atomes » individuels étaient éparpillés à travers une interface d'eau, et les chercheurs ont utilisé une petite aiguille magnétique pour pousser la couche d'atomes avec une force de cisaillement, les obligeant à suivre des chemins spécifiques. En utilisant la vidéo collectée pendant le processus de cisaillement, ils ont pu suivre les mouvements de tous les 50, 000 particules.
Un schéma de la conception expérimentale et des résultats. Une force de cisaillement a été appliquée aux particules (affichées en gris). Les chercheurs ont découvert que la vitesse de la force externe appliquée était liée à l'ordre dans lequel le matériau final était devenu. Crédit :Larry Galloway
En utilisant cet ensemble de données, les chercheurs ont calculé deux quantités qui se sont avérées cruciales pour comprendre la réponse du solide désordonné :l'excès d'entropie et le temps de relaxation. L'entropie excessive est une mesure de la structure globale de l'échantillon qui caractérise le degré de désordre du matériau. La relaxation des particules est une mesure de la dynamique de réponse d'un matériau et caractérise la vitesse à laquelle les particules individuelles se déplacent les unes par rapport aux autres.
"Nous avons remarqué que ces deux quantités se rapportent très bien l'une à l'autre, " Galloway dit à propos de l'analyse de cet ensemble de données, que les chercheurs ont utilisé pour quantifier la vitesse à laquelle les "atomes" colloïdaux se croisent lorsqu'une contrainte est appliquée et pour comparer cette vitesse à la façon dont le matériau final est devenu désordonné.
Le concept d'entropie en excès avait auparavant été utilisé pour étudier les liquides et les systèmes en équilibre, ce qui signifie que toutes les forces agissant sur un système sont en équilibre. Le présent travail est la première expérience à appliquer ces idées à des systèmes hors d'équilibre, comme le matériau désordonné déformant plastiquement étudié ici. "Nous avons trouvé que le même concept, excès d'entropie, souvent utilisé dans la théorie standard des liquides, pourrait nous aider à comprendre comment les solides se déforment plastiquement, " dit Maman.
En quantifiant la relation entre la structure, ou excès d'entropie, et dynamique, ou temps de détente, lors de la déformation plastique, l'équipe a identifié un lien entre les changements dans l'emplacement des particules individuelles et la structure globale du matériau. "D'abord, nous avons appliqué une contrainte externe pour pousser le matériau, " dit Yodh. " Alors, les particules dans le matériau se sont réarrangées et finalement relâchées dans une nouvelle structure interne. Nous avons découvert que plus cette force externe est appliquée rapidement, plus les particules se réarrangent rapidement et plus la structure finale du matériau devient désordonnée, comme en témoigne son excès d'entropie."
Cette meilleure compréhension de la relation entre la dynamique d'un matériau et sa microstructure au niveau d'une seule particule peut désormais aider les scientifiques des matériaux à comprendre "l'histoire" d'un matériau donné. "Si je connais le taux de déformation plastique, alors je peux prédire la quantité de commande du matériel dans son état final. Alternativement, si vous regardez un matériau et mesurez son ordre microstructural, alors je peux vous dire quelque chose sur le processus de déformation plastique qui l'a conduit là-bas, " dit Maman.
Les chercheurs prévoient maintenant des expériences supplémentaires pour calculer l'excès d'entropie plus localement et pour examiner des systèmes encore plus désordonnés que celui utilisé dans cette expérience. S'ils trouvent que les principes physiques établis dans le présent travail peuvent être généralisés à d'autres types de matériaux, cela pourrait ouvrir la voie à de nouvelles approches reliant les mesures au niveau atomique aux propriétés mécaniques souhaitables. "Puis, vous pourriez apprendre à préparer un matériel d'une certaine manière, en cisaillant plus ou moins vite, de telle sorte que vous ayez un écran qui ne se brise pas, " dit Arratia.
