Un verre est un matériau curieux entre les états liquide et solide de la matière, mais finalement le verre cède toujours à sa tendance solide en s'installant dans les motifs ordonnés d'un cristal. Ou du moins c'est ce qu'on pensait.
Des chercheurs de l'Université de Princeton ont développé un modèle informatique pour créer un "verre parfait" qui ne cristallise jamais, même au zéro absolu. Publié dans Rapports scientifiques sur la nature , le modèle est une nouvelle façon de penser le verre et détaille les propriétés extrêmement inhabituelles d'un verre parfait.
"Nous savons que si vous faites quelque chose d'assez froid, il se cristallisera, mais c'est une situation extrêmement exotique où vous évitez complètement cela, " a déclaré l'auteur correspondant Salvatore Torquato, un professeur de chimie de Princeton et l'Institut de Princeton pour la science et la technologie des matériaux.
Les scientifiques qui étudient le verre ont été intrigués par sa nature pendant plus d'un siècle. La configuration indisciplinée de ses molécules suggère qu'il devrait s'écouler comme un liquide, mais il est aussi rigide et inflexible qu'un solide. La transition vitreuse, ou la température à laquelle les liquides refroidis se transforment en verre, est un autre mystère. Alors que la transition d'un liquide à un solide est extrêmement brutale, à 0 degrés Celsius dans l'eau par exemple, des verres peuvent se former sur une plage de températures et seulement si les liquides ont été refroidis assez rapidement pour éviter la cristallisation.
En développant leur modèle, les chercheurs ont cherché à déterminer s'il pouvait exister un verre qui pourrait à jamais éviter la cristallisation. "Notre modèle est une possibilité prête à l'emploi, " dit Torquato.
Le modèle provient de deux domaines du groupe de recherche de Torquato qui étaient bien adaptés pour un modèle en verre parfait. Le laboratoire se concentre sur les états exotiques hyperuniformes de la matière, des matériaux pour lesquels les atomes apparaissent désordonnés localement mais présentent un ordre global à longue distance qui apparaît dans divers contextes, y compris l'œil d'un poulet. L'autre est un emballage bloqué au maximum aléatoire, une manière d'arranger les particules dans un système de telle sorte qu'il présente un degré de désordre très élevé et que les particules soient coincées les unes dans les autres, à jamais figé dans l'espace.
Dans le modèle en verre parfait "les cristaux sont bannis, " a déclaré Torquato. "Ils ne pourraient jamais se former par la conception des interactions entre les particules."
Pour trouver ces lunettes parfaites, le modèle des chercheurs considéré 2-, 3-, et interactions à 4 corps, qui font référence aux interactions entre le nombre de particules, alors que les modèles précédents ne considéraient que les interactions à 2 corps, ou interactions entre paires de particules. Tandis que 2-, 3-, et les interactions à 4 corps sont plus compliquées et n'ont pas encore été vues dans la nature, l'expansion de ces interactions a permis aux chercheurs de supprimer la cristallisation là où d'autres avaient échoué.
En plus de sa capacité déterminante à résister à la cristallisation, un verre parfait est imprégné d'une compressibilité nulle, ce qui signifie qu'il est imperméable aux forces extérieures et aussi un excellent moyen de propagation du son. En réalité, le son serait capable de voyager à travers un verre parfait à la vitesse de la lumière, dit Ge Zhang, un étudiant diplômé du laboratoire de Torquato et auteur principal de l'étude.
Le modèle offre également une solution à un paradoxe qui a laissé les chercheurs perplexes pendant des décennies et a été défini pour la première fois à Princeton en 1948 par le regretté professeur de chimie Walter Kauzmann. Le paradoxe de Kauzmann considérait la "crise d'entropie" provoquée par la surfusion d'un liquide vitreux au-delà d'une certaine température.
L'entropie est une mesure du désordre, ce qui signifie qu'un liquide à écoulement libre a plus de désordre, et donc l'entropie, qu'un cristal hautement structuré. Mais comme le liquide est refroidi, la différence d'entropie entre le liquide et le cristal commence à diminuer. Si cette tendance s'est traduite par des températures suffisamment basses, Kauzmann a offert, finalement il y aurait une température maintenant connue sous le nom de température de Kauzmann au-delà de laquelle l'entropie, ou désordre, du cristal devient en fait plus grande que celle du liquide surfondu - une situation paradoxale.
Le modèle en verre parfait, cependant, contourne complètement ce paradoxe. Puisque le verre ne peut pas cristalliser, il n'y a pas d'entropie cristalline avec laquelle comparer l'entropie liquide, et donc pas de risque de tomber dans la crise d'entropie.
Normand Mousseau, professeur de physique à l'Université de Montréal, a déclaré que les chercheurs de Princeton ont adopté une approche atypique pour répondre à une vieille question :« À basse température, la structure la plus stable peut-elle être quelque chose qui est un verre ? Cela peut-il exister dans l'univers ?" Bien que leur modèle ne réponde pas entièrement à ces questions, il fournit plus d'informations, dit Mousseau, qui connaît la recherche mais n'y a joué aucun rôle. « Avoir une nouvelle façon d'aborder ce problème nous aide clairement à aller de l'avant, " il a dit.
Pour l'instant, le modèle du verre parfait est une preuve de concept théorique, bien qu'intrigant qui défie les compréhensions actuelles du verre. Sa création actuelle est loin, bien que Torquato suggère que les systèmes polymères puissent être un bon endroit à regarder. En attendant, il a dit, il y a encore beaucoup à apprendre sur la théorie des verres parfaits.
