Le nouvel algorithme de l'équipe est capable de simuler les configurations moléculaires des liquides surfondus sous la transition vitreuse. Les propriétés de ces configurations aident à résoudre un paradoxe de 70 ans sur l'entropie des verres. Crédit :Misaki Ozawa et Andrea Ninarello, Université de Montpellier
Si vous pouviez mettre une paire de lunettes de natation, rétrécissez-vous comme un personnage de The Magic School Bus et plongez profondément dans un liquide, vous verriez une foule de molécules faire la fête comme si c'était en 1999.
Tous ces mouvements frénétiques permettent aux molécules de se réorganiser facilement et au liquide dans son ensemble de changer de forme. Mais pour les liquides surfondus - des liquides comme le miel qui sont refroidis en dessous de leur point de congélation sans cristalliser - la température plus basse ralentit la danse comme "At Last" d'Etta James. Baisser suffisamment la température, et le ralentissement peut être si dramatique qu'il faut des siècles voire des millénaires pour que les molécules se réarrangent et que le liquide se déplace.
Les scientifiques ne peuvent pas étudier des processus qui durent plus longtemps que leur carrière. Mais les chimistes de Duke et leurs collaborateurs de la Fondation Simons ont trouvé un moyen de tromper le temps, simulant la danse lente de liquides profondément surfondus. Le long du chemin, ils ont découvert de nouvelles propriétés physiques de liquides et de verres surfondus « vieillis ».
Pour comprendre à quel point les liquides profondément surfondus se déplacent lentement, considérez l'expérience la plus longue au monde, l'expérience Pitch Drop de l'Université du Queensland. Une seule goutte de brai se forme tous les huit à treize ans et ce brai se déplace plus rapidement que les liquides en surfusion.
« Expérimentalement, il y a une limite à ce que vous pouvez observer, car même si vous avez réussi à le faire tout au long de votre carrière, c'est encore un maximum de 50 ans, " a déclaré Patrick Charbonneau, professeur agrégé de chimie et de physique à Duke. "Pour beaucoup de gens, ce qui était considéré comme un plafond de verre dur, au-delà duquel vous ne pourriez pas étudier le comportement des liquides surfondus."
Crédit :Ruben Alexander via Flickr
Charbonneau, qui est un expert en simulations numériques, a déclaré que l'utilisation d'ordinateurs pour simuler le comportement de liquides surfondus a des limites de temps encore plus importantes. Il estime que, étant donné le rythme actuel d'avancement de l'informatique, il faudrait 50 à 100 ans avant que les ordinateurs soient suffisamment puissants pour que les simulations dépassent les capacités expérimentales – et même alors, les simulations prendraient des mois.
Pour briser ce plafond de verre, le groupe Charbonneau a collaboré avec Ludovic Berthier et son équipe, qui développaient un algorithme pour contourner ces contraintes de temps. Plutôt que de prendre des mois ou des années pour simuler comment chaque molécule dans un liquide en surfusion bouge jusqu'à ce que les molécules se réarrangent, l'algorithme sélectionne des molécules individuelles pour échanger des places les unes avec les autres, créer de nouvelles configurations moléculaires.
Cela permet à l'équipe d'explorer de nouvelles configurations qui pourraient prendre des millénaires pour se former naturellement. Ces liquides "liquides surfondus et verres ultra-vieillis" sont à plus faible énergie, et plus stable, que tout ce qui a été observé auparavant.
Les verres qui poussent une couche à la fois ont une structure très différente de celle des verres en vrac. L'équipe a utilisé son nouvel algorithme pour étudier comment les molécules de ces verres se réorganisent, et trouvé qu'à basse température (à droite), seules les molécules à la surface sont mobiles. Les résultats peuvent être utilisés pour concevoir de meilleurs types de verre pour l'administration de médicaments ou des revêtements protecteurs. Crédit :Elijah Flenner
"Nous trichions le temps dans le sens où nous n'avions pas à suivre la dynamique du système, " a déclaré Charbonneau. "Nous avons pu simuler des liquides profondément surfondus bien au-delà de ce qui est possible dans les expériences, et cela a ouvert beaucoup de possibilités."
L'été dernier, l'équipe a utilisé cette technique pour découvrir une nouvelle transition de phase dans les verres à basse température. Ils ont récemment publié deux études supplémentaires, dont l'une éclaire le « paradoxe de Kauzmann, " une question de 70 ans sur l'entropie des liquides surfondus en dessous de la transition vitreuse. La seconde explore la formation de verres déposés en phase vapeur, qui ont des applications dans l'administration de médicaments et les revêtements protecteurs.
"La nature n'a qu'un moyen de s'équilibrer, en suivant simplement la dynamique moléculaire, " dit Sho Yaida, un stagiaire postdoctoral au laboratoire de Charbonneau. "Mais ce qui est bien avec les simulations numériques, c'est que vous pouvez modifier l'algorithme pour accélérer votre expérience."
