Des chercheurs de l’Université de Tokyo ont récemment entrepris de mieux comprendre les différences entre les verres et les gels, en se concentrant spécifiquement sur leurs propriétés élastiques. Leur article, publié dans Nature Physics , met en lumière l'origine et l'évolution de l'élasticité de ces deux classes de solides amorphes.

"Notre recherche a commencé par l'observation des changements mécaniques uniques dans les gels colloïdaux au cours du vieillissement", a déclaré Hajime Tanaka, auteur principal de l'article, à Phys.org. "Bien que les verres et les gels aient des caractéristiques similaires à celles des solides amorphes, comme une rigidité sans ordre et un ralentissement de la dynamique au cours du vieillissement, nous avons découvert quelque chose d'inattendu.

"En étudiant l'évolution du module élastique des gels colloïdaux avec le temps, nous avons découvert une tendance surprenante :au lieu de devenir plus rigides avec le temps comme des verres, les gels se ramollissent après une période de vieillissement prolongée, environ deux mois pour des particules colloïdales de 2 μm."

Dans leurs recherches précédentes, Tanaka et ses collaborateurs ont rassemblé des résultats qui remettaient en question les notions existantes sur l'évolution des solides amorphes au fil du temps. Plus précisément, leurs études ont révélé que la dynamique de vieillissement de ces types de solides n'entraîne pas toujours une augmentation de la rigidité.

"Cette découverte inattendue nous a rendu curieux des différences entre les lunettes et les gels et de leurs causes", a expliqué Tanaka. "Notre étude visait donc à découvrir les propriétés élastiques uniques des verres et des gels et à comprendre les raisons qui les sous-tendent. Nous voulions également savoir comment la relation entre structure et dynamique affecte les propriétés mécaniques des solides amorphes."

Pour étudier les propriétés élastiques des verres et des gels colloïdaux, les chercheurs ont effectué des simulations dynamiques de Langevin en trois dimensions (3D). Ces simulations leur ont permis de modéliser aussi bien des verres colloïdaux caractérisés par des particules répulsives que des gels colloïdaux comportant des particules attractives.

"Nous avons étudié le processus de vieillissement des deux systèmes en les faisant passer rapidement d'un état d'équilibre à un état hors d'équilibre", a déclaré Yinqiao Wang, premier auteur de l'article. "Pour imiter les conditions expérimentales, nous avons d'abord permis aux particules des deux systèmes de s'équilibrer à l'état liquide. Ensuite, nous avons rapidement augmenté la fraction de compactage au-delà du seuil de transition vitreuse pour former des verres colloïdaux. À l'inverse, pour les gels colloïdaux, nous avons rapidement abaissé la température bien en dessous la température de démixtion gaz-liquide."

En observant le processus de vieillissement des deux systèmes modélisés, les chercheurs ont suivi attentivement l'évolution de leur élasticité, tout en tenant compte des fluctuations thermiques. Cela a été réalisé en utilisant des déformations oscillatoires de petite amplitude ou en résolvant directement la matrice hessienne.

"Dans le même temps, nous avons analysé les changements dans la dynamique et la structure vibrationnelle, y compris les paramètres d'ordre d'orientation et l'anisotropie de Voronoi dans les verres, ainsi que les connectivités aux échelles des particules et des réseaux dans les gels", a expliqué Tanaka. "Nos résultats mettent en évidence l'interaction complexe entre la structure, la dynamique (fluctuations thermiques) et les propriétés élastiques dans les systèmes désordonnés hors équilibre, en se concentrant sur deux solides amorphes typiques :les verres et les gels colloïdaux."

Tanaka et ses collègues ont découvert que même si les verres et les gels partagent certaines propriétés similaires à celles des solides amorphes hors équilibre, leurs propriétés élastiques sont nettement différentes. Leur article élucide également certains des mécanismes uniques qui sous-tendent les comportements respectifs de ces deux types de systèmes.

"Notre travail fournit non seulement des informations précieuses sur la physique fondamentale hors équilibre, mais a également des implications significatives pour la science des matériaux", a déclaré Tanaka. "Il offre une base physique pour distinguer les verres des gels, en particulier dans des scénarios difficiles tels que les états non ergodiques des suspensions de Laponite."

Les travaux récents de cette équipe de recherche contribuent à la compréhension des processus physiques sous-jacents à l’élasticité des verres et gels colloïdaux. Les nouvelles informations qu'il fournit pourraient bientôt éclairer la conception et la fabrication de solides amorphes dotés des propriétés élastiques souhaitées.

"Dans nos futures recherches, nous étudierons de manière approfondie les propriétés mécaniques des solides amorphes, notamment les matériaux granulaires, les verres répulsifs/attrayants et les gels", a ajouté Tanaka. "Nous visons à approfondir notre compréhension de ces systèmes désordonnés complexes grâce à une exploration systématique, dans le but de découvrir leurs mécanismes sous-jacents et leurs implications dans divers systèmes matériels."