Depuis des millénaires, les gens ont utilisé du sable fondu et d'autres ingrédients pour créer des perles de verre et de mode, navires, lentilles et fenêtres.

Ces jours, des verres métalliques - entièrement constitués d'atomes métalliques - sont développés pour des applications biomédicales telles que des aiguilles chirurgicales extra-pointues, stents, et des articulations ou implants artificiels car les alliages peuvent être ultra-durs, extra fort, très lisse et résistant à la corrosion.

Alors qu'une combinaison d'essais et d'erreurs et de recherches scientifiques a permis d'affiner les processus de fabrication du verre au fil du temps, contrôler la création de verres métalliques au niveau atomique reste une entreprise inexacte informée en grande partie par une longue expérience et une intuition.

"Notre travail, " dit Paul Voyles, "est de construire une compréhension fondamentale en ajoutant plus de données."

Le professeur Beckwith-Bascom en science et ingénierie des matériaux à l'Université du Wisconsin-Madison, Voyles et ses collaborateurs à Madison et à l'Université de Yale ont fait des progrès expérimentaux significatifs pour comprendre comment, quand et où les atomes en mouvement constant dans le métal en fusion se "verrouillent" en place lorsque le matériau passe du verre liquide au verre solide.

Ils ont décrit ce qu'ils ont observé sur la façon dont ces atomes se réarrangent à différentes températures au fil du temps aujourd'hui (19 mars, 2018) dans la revue Communication Nature . C'est une connaissance qui peut ajouter une clarté expérimentale indispensable à plusieurs théories concurrentes sur la façon dont ce processus, appelée transition vitreuse, se produit. Cela pourrait également aider à réduire le temps et les coûts associés au développement de nouveaux matériaux de verre métallique, et fournir aux fabricants une meilleure compréhension de la conception des processus.

L'un des défis du traitement est qu'à mesure que les métaux passent du liquide fondu au solide, ils ont tendance à se former de manière ordonnée, répétant régulièrement des structures atomiques appelées cristaux. En revanche, les matériaux en verre ont une structure atomique très désordonnée. Et tout en créant un verre métallique haute performance semble aussi simple que d'empêcher les atomes de métal de former des cristaux lorsque le matériau se refroidit, en réalité, cela dépend un peu de la chance du tirage au sort.

"Le processus qui fait un verre et le processus qui fait un cristal se concurrencent, et celui qui gagne - celui qui arrive à un rythme plus rapide - détermine le produit final, " dit Voyles, dont les travaux sont soutenus par la National Science Foundation et le U.S. Department of Energy.

Dans un liquide, tous les atomes se croisent à tout moment. Lorsqu'un métal en fusion se refroidit, et commence sa transition vers un solide, ses atomes ralentissent et finissent par s'arrêter de bouger.

C'est une danse complexe au niveau atomique que les scientifiques sont encore en train de démêler. Forts de leur expertise en microscopie électronique et en analyse de données, Voyles et ses collaborateurs ont mesuré combien de temps cela prend, en moyenne, pour qu'un atome gagne ou perde des atomes adjacents au fur et à mesure que son environnement fluctue dans le liquide en fusion.

"Un atome est entouré d'un tas d'autres atomes, " dit Voyles. " A des températures très élevées, ils rebondissent et chaque picoseconde (un trillionième de seconde), ils ont un nouvel ensemble de voisins. Au fur et à mesure que la température baisse, ils restent avec leurs voisins de plus en plus longtemps jusqu'à ce qu'ils restent définitivement."

A hautes températures, les atomes se déplacent tous rapidement. Puis, au fur et à mesure que le liquide refroidit, ils se déplacent plus lentement; une description simple pourrait être que tous les atomes ralentissent ensemble, au même rythme, jusqu'à ce qu'ils cessent de bouger et que le matériau devienne un verre solide.

"Nous avons maintenant démontré expérimentalement que ce n'est pas ce qui se passe, " dit Voyles.

Plutôt, il dit, les expériences de son équipe ont confirmé que le temps nécessaire aux atomes pour se verrouiller varie considérablement - d'au moins un ordre de grandeur - d'un endroit à l'autre à l'intérieur du même liquide.

"Certaines régions de la taille du nanomètre deviennent" collantes "d'abord et s'accrochent à leurs voisines pendant très longtemps, alors qu'entre les bits collants se trouvent des bits qui se déplacent beaucoup plus rapidement, " dit-il. " Ils continuent à fluctuer 10 fois plus vite que dans les parties lentes et puis tout devient plus lent, mais les parties collantes grossissent également jusqu'à ce que les parties collantes "gagnent" et que le matériau devienne solide."

Maintenant, lui et ses collaborateurs s'efforcent de comprendre comment les arrangements atomiques diffèrent entre les parties lentes et rapides.

"C'est la prochaine grande pièce manquante du puzzle, " il dit.

L'avancée fournit des informations précieuses sur le processus fondamental par lequel chaque matériau verrier - du verre à vitre aux bouteilles en plastique en passant par les préparations pharmaceutiques et bien d'autres - passe du liquide au solide, dit Voyles.

"C'est vraiment de la science fondamentale, " dit-il. " Mais l'impact potentiel ultime pour les applications est si nous comprenons vraiment comment cela fonctionne au niveau atomique, cela nous donne l'opportunité de construire un contrôle qui nous permet de fabriquer des lunettes à partir de ce que nous voulons au lieu de n'en acheter que lorsque nous avons de la chance."