Les lunettes ne le sont pas, peut-être étonnamment, techniquement solide sous forme cristallisée, mais sont des substances gelées dans une structure semblable à un liquide. De nombreuses questions fondamentales subsistent quant à la formation exacte des verres, transition du liquide fluide au verre solide. Un facteur central que les scientifiques des matériaux étudient lorsqu'ils explorent les phénomènes liés au verre, comme sa formation, est la température à laquelle cela se produit, la température de transition vitreuse.

Une collaboration internationale de physiciens computationnels et de chimistes a apporté un nouvel éclairage sur la façon dont la structure du polymère influe sur cette température dans la formation du verre en polystyrène atactique (PS), une substance verrière couramment utilisée. Leurs travaux sont rapportés cette semaine dans le Journal de physique chimique , des éditions AIP.

Alexey Lyulin, physicien à la Technische Universiteit Eindhoven aux Pays-Bas et professeur invité à l'Université de Stanford, a dirigé les travaux de simulations traitées par superordinateur.

"La transition vitreuse est en fait un phénomène mystérieux, " a déclaré Lyulin. " Ce n'est toujours pas compris complètement, même pour des liquides très simples."

Et les polymères, Lyulin ajoute, ne sont pas de simples liquides. Ils ont de très longues molécules en forme de chaîne, et ne cristallisent généralement pas mais forment des amorphes, solides vitreux. Cet état vitreux est important pour de nombreuses applications telles que, par exemple, nanolithographie. L'interface polymère est également importante, car c'est là que se produisent des mécanismes importants et un transfert de chaleur entre différentes molécules.

Lyulin et ses collègues ont examiné la transition vitreuse du polymère dans des échantillons en vrac, mais s'intéressaient surtout aux films minces de polystyrène. Au niveau nanométrique, ces films sont souvent comparables à une épaisseur de molécule. En étudiant la transition vitreuse des polymères à cette échelle, Lyulin a souligné que les chercheurs veulent en savoir plus sur la dynamique pertinente ainsi que sur la structure.

« Dans notre journal, nous n'avons étudié que la structure du polystyrène et ce qu'il advient de cette structure à la transition vitreuse quand on passe au très fin, films d'épaisseur nanométrique, " a déclaré Lyuline.

Il a noté que les auteurs de l'article étaient familiers avec les recherches expérimentales qui indiquaient dans un mince, film autoportant sans substrat, la température de transition du polystyrène est très basse, par rapport à celui du polystyrène en vrac, avec une différence d'environ soixante degrés Celsius.

"C'est un effet énorme, le plus grand effet observé dans les films polymères, " dit Lyulin. " Et puis nous avons essayé de comprendre pourquoi, ce qu'il y a de si spécifique avec le polystyrène."

Les auteurs ont émis l'hypothèse que de nombreux cycles benzéniques du film de polystyrène sont poussés vers la périphérie du film, révélant un comportement intéressant de ces interactions en anneaux, également appelées interactions aromatiques ou pi-pi.

"Cela signifie que les interactions très fortes entre les cycles benzéniques sont en quelque sorte affaiblies à l'intérieur du film, " dit Lyulin. " Et à cause de cet affaiblissement, la transition vitreuse se produit à une température plus basse."

Différents groupes au sein de l'équipe de recherche ont testé cette hypothèse avec une approche à plusieurs volets. Un groupe a préparé les échantillons de film initiaux, l'un a effectué des simulations informatiques et un autre groupe a aidé à analyser les résultats.

Lyulin a déclaré que l'équipe avait également constaté que la température de transition était influencée par les vitesses de refroidissement du polymère. Ils ont testé plus de 100 films de polystyrène de structure différente, épaisseur et à différentes températures, qui a duré plus de six mois, et le taux de refroidissement de la simulation informatique était beaucoup plus rapide que dans les expériences.

Pour Lyulin, la forte confirmation de leur hypothèse quelque peu surprenante met en évidence que les résultats offrent des informations fondamentales sur la structure moléculaire du film de polystyrène à mesure que la substance vitreuse approche de la transition.

"Ces interactions aromatiques pi-pi jouent un rôle très, rôle très important dans ce polymère spécifique et dans tout polymère contenant des cycles aromatiques, " Lyulin a déclaré. "Les interactions pi-pi conduisent à une orientation spécifique, ordre de ces groupes aromatiques puis à une structure spécifique qui a des conséquences très importantes pour ce matériau vitreux.

Lyulin ajoute que cela semble se produire avec d'autres matériaux non polymères, comme le graphène actuellement populaire, qui a ces interactions pi-pi entre ses anneaux de carbone. Il espère que lui et ses collègues continueront cette ligne de recherche et compareront les résultats avec d'autres théoriciens et expérimentateurs.

« Il serait très intéressant d'étudier et de comparer dynamiquement cet effet, qu'advient-il de la mobilité de ces anneaux, comment ils se détendent et qu'arrive-t-il à la mobilité des autres segments polymères lors du refroidissement dans le système, " a déclaré Lyulin. " Il serait très intéressant de comparer les valeurs de Tg statique et dynamique (température de transition) "