La découverte du verre liquide met en lumière le vieux problème scientifique de la transition vitreuse :une équipe interdisciplinaire de chercheurs de l'Université de Constance a découvert un nouvel état de la matière, verre liquide, avec des éléments structurels jusque-là inconnus - de nouvelles connaissances sur la nature du verre et ses transitions.

Si le verre est un matériau vraiment omniprésent que nous utilisons au quotidien, il représente également une énigme scientifique majeure. Contrairement à ce à quoi on pourrait s'attendre, la vraie nature du verre reste un mystère, avec une enquête scientifique sur ses propriétés chimiques et physiques toujours en cours. En chimie et en physique, le terme verre lui-même est un concept modifiable :il inclut la substance que nous connaissons sous le nom de verre à vitre, mais il peut également se référer à une gamme d'autres matériaux avec des propriétés qui peuvent être expliquées par référence au comportement semblable au verre, comprenant, par exemple, métaux, plastiques, protéines, et même des cellules biologiques.

Bien que cela puisse donner l'impression, le verre est tout sauf conventionnellement solide. Typiquement, lorsqu'un matériau passe d'un état liquide à un état solide, les molécules s'alignent pour former un motif cristallin. En verre, cela n'arrive pas. Au lieu, les molécules sont effectivement congelées en place avant que la cristallisation ne se produise. Cet état étrange et désordonné est caractéristique des verres dans différents systèmes et les scientifiques tentent toujours de comprendre comment se forme exactement cet état métastable.

Un nouvel état de la matière :le verre liquide

Recherche menée par les professeurs Andreas Zumbusch (Département de chimie) et Matthias Fuchs (Département de physique), tous deux basés à l'Université de Constance, vient d'ajouter une autre couche de complexité à l'énigme du verre. En utilisant un système modèle impliquant des suspensions de colloïdes ellipsoïdaux sur mesure, les chercheurs ont découvert un nouvel état de la matière, verre liquide, où les particules individuelles sont capables de se déplacer mais incapables de tourner - un comportement complexe qui n'a pas été observé auparavant dans les verres en vrac. Les résultats sont publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les suspensions colloïdales sont des mélanges ou des fluides qui contiennent des particules solides qui, à des tailles d'un micromètre (un millionième de mètre) ou plus, sont plus gros que les atomes ou les molécules et donc bien adaptés à l'investigation en microscopie optique. Ils sont populaires parmi les scientifiques qui étudient les transitions vitreuses, car ils présentent de nombreux phénomènes qui se produisent également dans d'autres matériaux verriers.

Colloïdes ellipsoïdaux sur mesure

À ce jour, la plupart des expériences impliquant des suspensions colloïdales se sont appuyées sur des colloïdes sphériques. La plupart des systèmes naturels et techniques, cependant, sont composés de particules non sphériques. En utilisant la chimie des polymères, l'équipe dirigée par Andreas Zumbusch a fabriqué de petites particules de plastique, les étirer et les refroidir jusqu'à ce qu'ils atteignent leurs formes ellipsoïdes, puis les placer dans un solvant approprié. "En raison de leurs formes distinctes, nos particules ont une orientation - par opposition aux particules sphériques - qui donne lieu à des types de comportements complexes entièrement nouveaux et non étudiés auparavant, " explique Zumbusch, qui est professeur de chimie physique et auteur principal de l'étude.

Les chercheurs ont ensuite modifié les concentrations de particules dans les suspensions, et suivi à la fois le mouvement de translation et de rotation des particules en utilisant la microscopie confocale. Zumbusch dit, "A certaines densités de particules, le mouvement d'orientation s'est figé alors que le mouvement de translation a persisté, résultant en des états vitreux où les particules se sont regroupées pour former des structures locales avec une orientation similaire. cristal qui serait l'état globalement ordonné de la matière attendu de la thermodynamique.

Deux transitions vitrées concurrentes

Ce que les chercheurs ont observé étaient en fait deux transitions vitreuses concurrentes - une transformation de phase régulière et une transformation de phase hors d'équilibre - interagissant l'une avec l'autre. "C'est incroyablement intéressant d'un point de vue théorique, " dit Matthias Fuchs, professeur de théorie de la matière molle condensée à l'Université de Constance et l'autre auteur principal de l'article. "Nos expériences fournissent le genre de preuves de l'interaction entre les fluctuations critiques et l'arrêt vitreux que la communauté scientifique recherche depuis un certain temps." Une prédiction de verre liquide était restée une conjecture théorique pendant vingt ans.

Les résultats suggèrent en outre que des dynamiques similaires peuvent être à l'œuvre dans d'autres systèmes verriers et peuvent ainsi aider à faire la lumière sur le comportement de systèmes complexes et de molécules allant du très petit (biologique) au très grand (cosmologique). Cela a également un impact potentiel sur le développement de dispositifs à cristaux liquides.