Le verre est partout. Que quelqu'un regarde par une fenêtre ou fait défiler un smartphone, il y a de fortes chances qu'il y ait une couche de verre entre eux et tout ce qu'ils regardent.

Bien qu'il soit là depuis au moins 5, 000 ans, il y a encore beaucoup d'inconnu sur ce matériau, comme la formation de certains verres et la manière dont ils acquièrent certaines propriétés. Une meilleure compréhension de cela pourrait conduire à des innovations technologiques, tels que les revêtements anti-rayures et le verre avec différentes propriétés mécaniques.

Au cours des dernières années, des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie ont étudié les propriétés des verres stables, verres très compacts qui sont produits en déposant des molécules en phase vapeur sur un substrat froid.

« Il y a eu beaucoup de questions, " a déclaré Zahra Fakhraai, professeur agrégé de chimie à la Penn's School of Arts &Sciences, "à savoir si cela est analogue au même état amorphe de verres naturellement vieillis tels que l'ambre, qui sont formés en refroidissant simplement un liquide et en le vieillissant pour beaucoup, de nombreuses années."

Afin de répondre à ces questions, Fahkraai et Ph.D. L'étudiant Tianyi Liu a collaboré avec le professeur de chimie Patrick Walsh qui a conçu et synthétisé une nouvelle molécule spéciale parfaitement ronde avec une forme sphérique. Selon Fakhraai, ces molécules uniques ne peuvent jamais s'aligner avec un substrat au fur et à mesure qu'elles se déposent. À cause de ce, les chercheurs s'attendaient à ce que les verres soient amorphes et isotropes, c'est-à-dire que leurs particules constitutives, qu'il s'agisse d'atomes, colloïdes ou grains, sont disposés d'une manière qui n'a pas de motif ou d'ordre global.

Étonnamment, les chercheurs ont remarqué que ces verres stables sont biréfringents, ce qui signifie que l'indice de réfraction de la lumière est différent dans les directions parallèles et normales au substrat, ce qui ne serait pas attendu dans un matériau rond. Leurs résultats ont été publiés dans Lettres d'examen physique .

Avec biréfringence, la lumière projetée dans une direction se brisera différemment de la lumière projetée dans une direction différente. Cet effet est souvent exploité dans les écrans à cristaux liquides :le changement d'orientation du matériau entraîne une interaction différente de la lumière avec celui-ci, produisant des effets optiques. Dans la plupart des verres déposés, c'est le résultat de l'alignement des molécules dans une direction particulière lorsqu'elles se condensent de la phase vapeur dans un état vitreux profond.

Les motifs de biréfringence des verres stables étaient étranges, Fakhraai a dit, car les chercheurs ne s'attendaient à aucune orientation de ces molécules rondes dans le matériau.

Après avoir fait équipe avec le professeur de physique James Kikkawa et Ph.D. étudiante Annemarie Exarhos, qui a fait des expériences de photoluminescence pour regarder l'orientation des molécules, et professeur de chimie Joseph Subotnick, qui a aidé avec les simulations visant à regarder la structure cristalline et à calculer l'indice de réfraction du cristal qui leur a permis de faire le calcul du degré de biréfringence ou d'ordre à l'état amorphe, les chercheurs ont confirmé leur intuition qu'il n'y avait aucune orientation dans le matériau.

Malgré la mesure de l'ordre zéro dans le verre, les scientifiques ont encore vu une quantité de biréfringence analogue à celle d'avoir jusqu'à 30 pour cent des molécules parfaitement ordonnées. A travers leurs expériences, ils ont découvert que cela est dû à la nature couche par couche du dépôt qui permet aux molécules de se tasser plus étroitement dans la direction normale à la surface pendant le dépôt. Plus le verre est dense, plus la valeur de biréfringence est élevée. Ce processus peut être contrôlé en modifiant la température du substrat qui contrôle le degré de densification.

"Nous avons pu montrer qu'il s'agit d'un ordre unique qui émerge du processus, " a déclaré Fakhraai. " C'est un nouveau type d'emballage qui est tout à fait unique parce que vous n'avez aucune orientation, mais vous pouvez toujours manipuler les distances moléculaires en moyenne et avoir toujours un emballage aléatoire mais biréfringent dans l'ensemble. Et donc cela nous apprend beaucoup sur le processus permettant d'accéder réellement à ces phases d'état inférieur, mais fournit également un moyen de concevoir des propriétés optiques sans nécessairement induire un ordre ou une structure dans le matériau. »

Étant donné que les facteurs de stress sont répartis différemment dans et hors du plan, ces verres pourraient avoir des propriétés mécaniques différentes, qui peut être utile dans les revêtements et la technologie. Il peut être possible de manipuler l'orientation d'un verre ou sa stratification pour lui donner certaines propriétés, tels que les revêtements anti-rayures.

"Nous nous attendons à ce que si nous devions indenter la surface du verre avec quelque chose, " Fakhraai a dit, "il aurait une ténacité différente par rapport à son indentation sur le côté. Cela pourrait changer ses schémas de fracture ou sa dureté ou ses propriétés élastiques. Je pense comprendre comment la forme, l'orientation et l'emballage pourraient affecter la mécanique de ces revêtements est l'un des endroits où des applications intéressantes pourraient émerger."

Selon Fakhraai, l'une des pièces les plus passionnantes de cette recherche est l'aspect fondamental de pouvoir maintenant montrer qu'il peut y avoir des phases amorphes qui sont de haute densité. Elle espère qu'elle et d'autres chercheurs pourront appliquer leur compréhension de l'étude de ces systèmes à ce qui se passerait dans le verre très vieilli.

"Cela nous dit que nous pouvons en fait fabriquer des verres qui ont des emballages qui seraient pertinents pour du verre très vieilli, " a déclaré Fakhraai. "Cela ouvre la possibilité de mieux comprendre fondamentalement le processus par lequel nous pouvons fabriquer des verres stables."