On apprend à l'école que la matière se présente sous trois états :solide, liquide et gazeux. Un étudiant ennuyé et intelligent (nous en avons tous rencontré un) demande alors parfois si le verre est un solide ou un liquide.

L'élève a raison. Les verres sont d'étranges "liquides solides" qui sont refroidis si rapidement que leurs atomes ou molécules se sont bloqués avant de s'organiser selon les motifs réguliers d'un solide cristallin. Ainsi un verre a les propriétés mécaniques d'un solide mais ses atomes ou molécules sont désorganisés, comme ceux dans un liquide.

Un signe de l'étrangeté du verre est que la transition du liquide au verre est beaucoup plus floue que la transition du liquide au solide cristallin. En réalité, la transition vitreuse est arbitrairement définie comme le point où la matière vitreuse a une viscosité de 1013 poises. (La viscosité de l'eau à température ambiante est d'environ 0,01 poise. Une huile épaisse peut avoir une viscosité d'environ 1,0 poise.) À ce stade, il est trop épais pour couler et répond ainsi à la définition pratique d'un solide.

Les scientifiques détestent les définitions aussi vagues, mais ils ont été coincés avec celui-ci parce que personne n'a vraiment compris la transition vitreuse, qui figure fréquemment sur les listes des 10 principaux problèmes non résolus en physique.

Pour la plupart, les scientifiques n'ont pu mesurer que les propriétés en vrac des liquides de formation de verre, telles que la viscosité et la chaleur spécifique, et les interprétations qu'ils ont proposées dépendaient en partie des mesures qu'ils ont prises. La littérature sur le verre est notoirement pleine de conclusions contradictoires et les ateliers sur le verre sont le lieu de débats animés.

Mais au cours des quinze dernières années, de nouveaux dispositifs expérimentaux qui diffusent des rayons X ou des neutrons sur les atomes d'une gouttelette de liquide contenue sans récipient (ce qui provoquerait sa cristallisation) ont enfin permis aux scientifiques de mesurer les propriétés atomiques du liquide. Et c'est à ce niveau qu'ils soupçonnent que les secrets de la transition vitreuse sont cachés.

Dans une telle étude, Ken Kelton, le professeur Arthur Holly Compton en arts et sciences à l'Université de Washington à St. Louis, et son équipe de recherche (Chris Pueblo, Université de Washington et Minhua Sun, Université normale de Harbin, Chine) ont comparé une mesure de l'interaction des atomes pour différents liquides de formation de verre. leurs résultats, publié en ligne dans Matériaux naturels , concilier plusieurs mesures de formation du verre, signe qu'ils sont sur la bonne voie.

« Nous avons montré que le concept de liquides fragiles et forts, qui a été inventé pour expliquer pourquoi la viscosité change de manière très différente lorsqu'un liquide se refroidit, va en fait beaucoup plus loin que la simple viscosité, " Kelton a dit. " C'est finalement lié à la répulsion entre les atomes, ce qui limite leur capacité à se déplacer en coopération. C'est pourquoi la distinction entre liquides fragiles et liquides forts apparaît également dans les propriétés structurelles, propriétés élastiques et dynamique. Ce ne sont que des manifestations différentes de cette interaction atomique."

C'est la première fois que le lien entre la viscosité et les interactions atomiques est démontré expérimentalement, il a dit. Curieusement, ses études et travaux par d'autres suggèrent que la transition vitreuse commence non pas à la température de transition vitreuse conventionnelle mais plutôt à une température environ deux fois plus élevée dans les verres métalliques (plus de deux fois plus élevée dans les verres silicatés, comme les vitres). C'est à ce moment là, Kelton a dit, les atomes commencent d'abord à se déplacer en coopération.

Descente au niveau atomique

Les dernières découvertes de Kelton font suite à des recherches antérieures sur une caractéristique des liquides verriers appelée fragilité. Pour la plupart des gens, tous les verres sont fragiles, mais pour les physiciens, certains sont « forts » et d'autres sont « fragiles ».

La distinction a été introduite pour la première fois en 1995 par Austen Angell, professeur de chimie à l'Arizona State University, qui a estimé qu'un nouveau terme était nécessaire pour saisir les différences dramatiques dans la façon dont la viscosité d'un liquide augmente à l'approche de la transition vitreuse.

Les viscosités de certains liquides changent progressivement et en douceur à l'approche de cette transition. Mais comme d'autres liquides sont refroidis, leur viscosité change très peu au début, puis décoller comme une fusée à l'approche de la température de transition.

À l'époque, Angell ne pouvait mesurer que la viscosité, mais il a appelé le premier type de liquide « fort » et le deuxième type « fragile » parce qu'il soupçonnait une différence structurelle sous-jacente aux différences qu'il a vues,

"Il est plus facile d'expliquer ce qu'il voulait dire si vous pensez à un verre devenant liquide plutôt que l'inverse, " a dit Kelton. " Supposons qu'un verre soit chauffé à travers la température de transition vitreuse. S'il s'agit d'un système « fort », il « se souvient » de la structure qu'il avait en tant que verre – qui est plus ordonnée que dans un liquide – et cela vous indique que la structure ne change pas beaucoup au cours de la transition. En revanche, un système « fragile » « oublie » rapidement sa structure en verre, ce qui vous indique que sa structure change beaucoup au cours de la transition.

"Les gens ont fait valoir que le changement de viscosité devait être lié à la structure - à travers plusieurs concepts intermédiaires, dont certains ne sont pas bien définis, " a ajouté Kelton. " Ce que nous avons fait, c'est sauter par-dessus ces étapes intermédiaires pour montrer directement que la fragilité était liée à la structure. "

En 2014, il avec les membres de son groupe publié dans Communication Nature les résultats d'expériences qui ont montré que la fragilité d'un liquide verrier se reflète dans ce qu'on appelle le facteur de structure, une quantité mesurée en diffusant des rayons X sur une gouttelette de liquide qui contient des informations sur la position des atomes dans la gouttelette.

"C'était exactement comme Angell l'avait soupçonné, " a déclaré Kelton. " Le taux d'ordre atomique dans le liquide près de la température de transition détermine si un liquide est " fragile " ou " fort ". "

Petits coudes atomiques pointus

Mais Kelton n'était pas satisfait. D'autres scientifiques trouvaient des corrélations entre la fragilité d'un liquide et ses propriétés élastiques et dynamiques, ainsi que sa structure. "Il doit y avoir quelque chose en commun, " pensa-t-il. " Quelle est la seule chose qui pourrait sous-tendre toutes ces choses ? " La réponse, Il croyait, devait être l'attraction et la répulsion changeantes entre les atomes à mesure qu'ils se rapprochaient, que l'on appelle le potentiel d'interaction atomique.

Si deux atomes sont bien séparés, Kelton a expliqué, il y a peu d'interaction entre eux et le potentiel interatomique est presque nul. Quand ils se rapprochent, ils sont attirés les uns par les autres pour diverses raisons. L'énergie potentielle diminue, devenir négatif (ou attrayant). Mais alors qu'ils se rapprochent encore, les noyaux des atomes commencent à interagir, se repoussant les uns les autres. L'énergie monte en flèche.

"C'est cette partie repoussante du potentiel que nous voyions dans nos expériences, " a déclaré Kelton.

Ce qu'ils ont trouvé lorsqu'ils ont mesuré le potentiel répulsif de 10 alliages métalliques différents à la source avancée de photons, une ligne de lumière au Laboratoire National d'Argonne, est que les liquides "forts" ont des potentiels répulsifs plus raides et que la pente de leur potentiel répulsif change plus rapidement que celle des liquides "fragiles". "Qu'est-ce que cela signifie, " Kelton a dit, « est-ce que les liquides « forts » se commandent plus rapidement à des températures élevées que les « fragiles ». C'est le fondement microscopique de la fragilité d'Angell.

"Ce qui est intéressant, " Kelton continua, « est que nous voyons des atomes commencer à répondre de manière coopérative - montrant une conscience les uns des autres - à des températures approximativement le double de la température de transition vitreuse et proches de la température de fusion.

"C'est là que la transition vitreuse commence vraiment, " dit-il. " Comme le liquide se refroidit de plus en plus, les atomes se déplacent en coopération jusqu'à ce que des radeaux de coopération s'étendent d'un côté du liquide à l'autre et que les atomes se bloquent. Mais ce point, la transition vitreuse classique, n'est que le point final d'un processus continu qui commence à une température beaucoup plus élevée."

Kelton participera bientôt à un atelier en Pologne où il s'attend à une discussion animée de ses découvertes, qui contredisent ceux de certains de ses collègues. Mais il est convaincu qu'il tient le fil qui le mènera hors du labyrinthe car différents niveaux de compréhension commencent à s'aligner. "C'est excitant que les choses s'enchaînent si bien, " il a dit.

Lunettes, lunettes, partout

Ken Kelton a poursuivi la transition vitreuse pendant de nombreuses années à la fois parce que la physique est intéressante et, il avoue, parce qu'il aime tout simplement les liquides et les verres. Mais lorsqu'il cherche sur Google les personnes qui ont cité ses articles, il découvre souvent qu'elles travaillent dans l'industrie. C'est parce que les lunettes sont partout. La plupart d'entre nous considèrent le verre comme du verre à vitre ou des verres à boire, mais beaucoup de denrées alimentaires, les médicaments et les plastiques sont aussi des verres.

Les spaghettis secs sont durs et cassants car c'est un verre. Lorsqu'il est chauffé dans de l'eau bouillante, il subit une transition vers un état "caoutchouteux" qui se marie bien avec la sauce rouge. La barbe à papa est un verre fabriqué en faisant fondre des cristaux de sucre, puis en filant la fonte de sorte que les brins de sucre fondu "gèlent" sous la forme d'un verre. Cheetos, les craquelins aux crevettes et le lait en poudre en poudre sont tous des verres, comme beaucoup d'autres aliments.

Les sociétés pharmaceutiques utilisent souvent le séchage par pulvérisation ou la lyophilisation pour s'assurer qu'un médicament est vitreux plutôt que cristallin. Beaucoup de plastiques durs, comme le polysytrène (emballage d'arachides, rasoirs jetables) et du chlorure de polyvinyle (parement de vinyle, plomberie) sont aussi des verres.

Les scientifiques industriels scannent les papiers de Kelton car ils doivent contrôler la transition vitreuse et la transformation du verre en un solide cristallin afin de conférer à leurs produits les propriétés souhaitables. Les médicaments à l'état vitreux se dissolvent généralement mieux dans l'organisme, pour que des doses plus faibles soient efficaces, et certains médicaments doivent être produits sous forme de verres car ils sont insolubles sous leur forme cristalline. Le contrôle de la transition vitreuse est également important dans la production de matières plastiques. Parce que ce sont des lunettes, les plastiques durs ont une « mémoire » de leur histoire thermique qui affecte leur performance et leur vieillissement.