Une équipe dirigée par Caltech a récemment résolu un mystère de la science des matériaux vieux de plusieurs décennies en recherchant l'origine de l'entropie dans les verres métalliques.

Typiquement, les atomes de la plupart des matériaux s'organisent en motifs reproductibles stables le long d'une grille, formant ce que l'on appelle généralement des cristaux. Par contre, les verres métalliques sont des métaux qui ont été chauffés jusqu'à ce qu'ils se liquéfient, puis refroidis si rapidement qu'ils n'ont pas le temps de cristalliser avant de se solidifier. Au lieu, ils ont un amorphe, structure de niveau atomique semblable à un liquide qui leur confère des propriétés physiques uniques.

Un mystère persistant sur les verres métalliques se produit lors de la soi-disant « transition vitreuse ». Un verre métallique froid est dur et cassant, mais quand il est chauffé au-delà d'un certain point - la transition vitreuse - il devient mou.

A la transition vitreuse, les scientifiques ont noté une augmentation soudaine de l'entropie dans le matériau chauffé. En thermodynamique, l'entropie est la quantité d'énergie dans un système qui n'est pas disponible pour effectuer un travail, qui est liée à la quantité d'aléatoire dans un système. En ce qui concerne les transitions de phase, imaginez que la glace fond dans l'eau. Lorsque les molécules d'eau sont enfermées dans la structure cristalline de la glace, ils sont dans un état de faible énergie avec des emplacements assez prévisibles. Quand cette glace fond en liquide, ces molécules d'eau peuvent s'écouler dans presque n'importe quelle position, qui est une augmentation du caractère aléatoire - l'entropie - du système.

"L'origine de l'énorme entropie du verre et du liquide par rapport au cristal a été discutée dans la littérature scientifique depuis la découverte des verres métalliques à Caltech en 1960, " dit Hillary Smith de Caltech (MS '10, Doctorat '14), auteur principal d'un article récent sur l'entropie dans les verres métalliques qui a été publié dans Physique de la nature . Smith est chercheur dans le laboratoire de Brent Fultz, Barbara et Stanley R. Rawn, Jr., Professeur de science des matériaux et de physique appliquée à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech, et co-auteur de l'article.

L'équipe s'est concentrée sur la distinction entre la quantité "d'entropie de configuration" et "d'entropie vibrationnelle" - les deux principales sources d'entropie dans la plupart des matériaux - dans les verres métalliques.

Imaginez jeter un sac de pièces sur une table, puis compter le nombre d'atterrissages en heads-up par rapport à tails-up. Il est possible d'avoir toutes les têtes ou toutes les queues, mais il est statistiquement plus probable d'obtenir environ demi-faces et demi-piles, car il existe plus de façons pour les pièces de s'organiser dans une configuration moitié-moitié que dans une configuration toutes faces. En thermodynamique, on dirait que l'arrangement demi-têtes/demi-queues a une entropie configurationnelle plus élevée.

Cependant, les atomes (contrairement aux pièces de monnaie) ne restent pas immobiles, mais plutôt vibrer dans leur position. La quantité de cette entropie vibrationnelle est déterminée, en partie, par la rigidité de la structure qui maintient ses atomes en place.

"En mesurant avec précision la quantité de cette chaleur qui vient des configurations des atomes et la quantité qui vient des vibrations des atomes, nous avons pu mettre fin à cette polémique pour les verres métalliques, " dit Smith.

L'équipe a d'abord évalué l'entropie vibrationnelle des métaux sous forme de verre et de cristal. Faire cela, ils ont utilisé des faisceaux de neutrons intenses au laboratoire national d'Oak Ridge dans le Tennessee pour bombarder chaque matériau, sonner chaque échantillon comme une cloche et mesurer comment il a répondu. Ils ont également mesuré l'entropie totale du verre et du cristal à l'aide d'une technique appelée calorimétrie.

"Mesurer la quantité d'entropie qui provient des vibrations des atomes dans un verre n'était pas possible il y a dix ans, " dit Smith. " Ce n'est que grâce aux faisceaux de neutrons incroyablement intenses disponibles à Oak Ridge que nous avons pu faire cette expérience. Finalement, nous avons trouvé la pièce manquante en validant une théorie très controversée qui n'avait jamais été testée."

Ils ont découvert que bien que l'entropie totale dans le verre soit beaucoup plus grande que dans le cristal, leurs entropies vibrationnelles sont presque identiques. Cela indique que l'entropie dans la structure du verre provient presque uniquement de la façon dont les atomes s'arrangent; C'est, de l'entropie configurationnelle.

Prochain, l'équipe prévoit d'étudier d'autres types de lunettes pour déterminer si le résultat est universel pour toutes les lunettes.