Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont mis au point une nouvelle technique pour étudier la surface de différents types de verre. En utilisant cette technique, ils ont découvert une propriété surprenante de la couche supérieure des verres, ce qui pourrait ouvrir la voie au développement de meilleurs matériaux verriers.

La recherche a été dirigée par Yue Zhang, un étudiant diplômé du département de chimie de la Penn's School of Arts &Sciences, et Zahra Fakhraai, professeur adjoint de chimie. Zhang a reçu un APS Padden Award pour la recherche, qui reconnaît l'excellence dans la recherche en physique des polymères.

La distinction entre les cristaux et les liquides est que, tandis que les cristaux sont ordonnés et solides, les liquides sont désordonnés et peuvent se déplacer pour remplir n'importe quel récipient dans lequel ils se trouvent. Mais si l'on refroidissait suffisamment un liquide, il resterait désordonné tandis que le mouvement de ses molécules ralentirait tellement qu'il semblerait solide. C'est ainsi que se forment les matériaux amorphes tels que les verres.

Chéri, par exemple, est un liquide, mais lorsqu'il est réfrigéré, ses propriétés ressemblent davantage à celles d'un solide.

Les chercheurs de Penn étudiaient comment les interfaces ou les surfaces, les frontières entre deux phases de la matière, affecterait les propriétés des verres. Selon Fakhraai, lorsqu'une surface libre est introduite dans le matériau, le mouvement s'accélère à nouveau, qui se propage dans le film.

Même si le miel semble solide, les molécules dans les 5 ou 10 premiers nanomètres resteraient liquides et en mouvement. Si une aiguille était mise à la surface du miel, il plongerait et formerait un ménisque, permettre aux molécules de se déplacer, alors que la même aiguille n'aurait aucun effet sur un solide.

Dans un précédent article publié dans Matière molle , les chercheurs ont réduit cette technique à des échelles de longueur nanométrique en utilisant un virus comme une aiguille et ont observé les molécules de surface entrer et essayer lentement de former un ménisque autour du virus. Alors que les molécules au centre du matériau peuvent mettre des millions d'années à se déplacer, pour les molécules au sommet, ce serait plutôt quelques centaines de secondes.

"La technique que nous avons développée est vraiment passionnante car sur le terrain il n'y a pas beaucoup de techniques pour sonder directement les mouvements de surface, " a déclaré Zhang. " Notre technique est très efficace et mathématiquement simple, et nous pouvons facilement l'étendre à d'autres systèmes."

L'un des aspects les plus difficiles du développement de la technique, Fakhraai a dit, découvrait qu'ils pouvaient utiliser des virus pour sonder les matériaux.

"Pendant quelques années, nous avons essayé de synthétiser des nanotiges qui ressemblaient à des aiguilles et étaient suffisamment longues et uniformes, " dit-elle. " Les virus sont parfaits parce qu'ils ont ces structures cristallines qui ont exactement les bonnes dimensions dont nous avons besoin. Considérer le virus comme une nanoparticule nous a vraiment aidés à aller de l'avant."

En utilisant cette technique, les chercheurs voulaient déterminer comment le mouvement des molécules sur la surface libre est couplé au mouvement en dessous. En particulier, ils voulaient voir si les molécules à la surface seraient affectées si le mouvement des molécules sous elles était accéléré ou ralenti.

Dans un autre article précédent publié dans Lettres d'examen physique , les chercheurs ont utilisé différentes techniques de dépôt pour mieux emballer les molécules et former des verres stables. Cela a rendu tout extrêmement lent au point qu'il faudrait plus de temps que l'âge de l'univers pour que les molécules au centre se déplacent.

Dans leur plus récent article, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , ils ont tout accéléré en faisant des films plus minces, qui aurait plus de surface libre.

"Basé sur de nombreuses théories différentes, on se serait attendu à ce que les mouvements au centre et à la surface libre soient couplés, " a déclaré Fakhraai. " L'exemple que j'aime faire est si vous dites à l'avant du défilé et que vous vous déplacez plus vite, les choses devraient vous suivre. Mais ça ne se passe pas comme ça. La couche supérieure immédiate ne se couple pas vraiment :ces molécules peuvent se déplacer sans affecter ce qui se passe derrière elles. »

Ces résultats, elle a dit, étaient surprenants. Bien qu'il y ait eu de nombreuses idées différentes sur l'existence de cette corrélation, personne ne l'avait vraiment mesuré auparavant. Ils ont trouvé que, quel que soit le type de mouvement, les molécules du haut et les molécules du centre n'ont aucun effet les unes sur les autres.

Les chercheurs espèrent pouvoir sonder les deuxième et troisième couches, ce qui peut être important dans le processus de densification des matériaux lors du dépôt, qui est à la base de la fabrication de verres stables et revêt une importance technologique. Étant donné que les molécules de la première couche ne sont pas affectées par le mouvement des molécules en dessous, le mouvement des couches sous-jacentes devient crucial dans le processus.

"Nous pensons que ce sont vraiment les molécules de la deuxième couche et de la troisième couche qui participent à ce processus de densification, et les molécules à la surface libre sont comme une mer d'objets libres qui peuvent fournir cette mobilité mais ne participent pas nécessairement au processus, " a déclaré Fakhraai.

Ils espèrent également mieux comprendre la transition entre les particules se déplaçant rapidement à la surface et les molécules extrêmement lentes au centre. Les personnes debout à l'avant d'un défilé sont libres de se déplacer, Fakhraai a expliqué, mais plus tu t'enfonces dans la parade, le mouvement devient plus contraint.

"La question est de savoir quelle est la profondeur de l'effet et comment ce processus se produit, " Fakhraai a dit. " Comment puis-je passer de quelque chose qui prend 100 secondes pour se déplacer à quelque chose qui prend des milliards d'années ? Je pense que c'est le prochain grand défi sur le terrain :comprendre ce gradient."

Selon Fakhraai, étudier ce processus permettra aux chercheurs non seulement de mieux comprendre les théories, mais aussi d'améliorer les revêtements sur les matériaux et de concevoir de meilleurs matériaux amorphes.

"Nous comprenons ce qui met l'horloge au milieu du film, mais nous ne savons pas ce qui règle l'horloge de ces molécules de surface, " a déclaré Fakhraai. "Je pense que c'est quelque chose à comprendre davantage à l'avenir."