Des physiciens de Darmstadt étudient les processus de vieillissement des matériaux. Pour la première fois, ils ont mesuré le tic-tac d’une horloge interne en verre. En évaluant les données, ils ont découvert un phénomène surprenant.
Nous vivons le temps comme n’ayant qu’une seule direction. Qui a déjà vu une tasse se briser sur le sol, pour ensuite se remonter spontanément ? Pour les physiciens, cela ne va pas de soi, car les formules qui décrivent les mouvements s'appliquent quelle que soit la direction du temps.
Par exemple, une vidéo montrant un pendule se balançant sans entrave aurait la même apparence s’il fonctionnait à l’envers. L’irréversibilité quotidienne dont nous faisons l’expérience n’entre en jeu qu’à travers une autre loi de la nature, la deuxième loi de la thermodynamique. Cela signifie que le désordre dans un système augmente constamment. Cependant, si la coupe brisée se réassemblait d'elle-même, le désordre diminuerait.
On pourrait penser que le vieillissement des matériaux est tout aussi irréversible que l’éclatement d’un verre. Cependant, en étudiant les mouvements des molécules dans le verre ou le plastique, des physiciens de Darmstadt ont découvert que ces mouvements sont réversibles dans le temps s'ils sont observés sous un certain angle.
L'équipe dirigée par Till Böhmer de l'Institut de physique de la matière condensée de l'Université technique de Darmstadt a publié ses résultats dans Nature Physics .
Les verres ou les plastiques sont constitués d'un enchevêtrement de molécules. Les particules sont en mouvement constant, ce qui les amène à glisser encore et encore dans de nouvelles positions. Ils recherchent en permanence un état énergétique plus favorable, qui modifie les propriétés du matériau au fil du temps :le verre vieillit.
Toutefois, dans le cas de matériaux utiles tels que le verre à vitre, cela peut prendre des milliards d’années. Le processus de vieillissement peut être décrit par ce que l'on appelle le « temps matériel ». Imaginez-le ainsi :le matériau possède une horloge interne dont le tic-tac est différent de celui affiché sur le mur du laboratoire. Le temps du matériau s'écoule à une vitesse différente en fonction de la rapidité avec laquelle les molécules du matériau se réorganisent.
Mais depuis la découverte du concept il y a une cinquantaine d’années, personne n’a réussi à mesurer le temps matériel. Aujourd'hui, les chercheurs de Darmstadt dirigés par le professeur Thomas Blochowicz l'ont fait pour la première fois.
"C'était un énorme défi expérimental", explique Böhmer. Les minuscules fluctuations des molécules ont dû être documentées à l’aide d’une caméra vidéo ultrasensible. "Vous ne pouvez pas simplement regarder les molécules bouger", ajoute Blochowicz.
Pourtant, les chercheurs ont remarqué quelque chose. Ils ont dirigé un laser sur l’échantillon en verre. Les molécules qu’il contient diffusent la lumière. Les faisceaux diffusés se chevauchent et forment un motif chaotique de points clairs et sombres sur le capteur de la caméra. Des méthodes statistiques peuvent être utilisées pour calculer la façon dont les fluctuations varient dans le temps, en d'autres termes, la vitesse à laquelle l'horloge interne du matériau tourne. "Cela nécessite des mesures extrêmement précises qui n'étaient possibles qu'avec des caméras vidéo de pointe", explique Blochowicz.
Mais ça en valait la peine. L'analyse statistique des fluctuations moléculaires, à laquelle ont contribué des chercheurs de l'Université de Roskilde au Danemark, a révélé des résultats surprenants. En termes de temps matériel, les fluctuations des molécules sont réversibles dans le temps. Cela signifie qu'ils ne changent pas si le temps matériel peut s'écouler vers l'arrière, comme la vidéo du pendule, qui a le même aspect lorsqu'elle est jouée en avant et en arrière.
"Cependant, cela ne signifie pas que le vieillissement des matériaux puisse être inversé", souligne Böhmer. Le résultat confirme plutôt que la notion de temps matériel est bien choisie car elle exprime toute la part irréversible du vieillissement de la matière. Son tic-tac incarne le passage du temps pour le matériau en question.
Tout ce qui bouge dans le matériau par rapport à cette échelle de temps ne contribue pas au vieillissement. Tout comme, métaphoriquement parlant, les enfants qui jouent sur la banquette arrière d'une voiture ne contribuent pas à son mouvement.
Les chercheurs de Darmstadt pensent que cela s'applique généralement aux matériaux désordonnés, car ils ont examiné deux classes de matériaux – le verre et le plastique – et ont effectué une simulation informatique d'un matériau modèle – avec les mêmes résultats.
Le succès des physiciens n’est qu’un début. "Cela nous laisse avec une montagne de questions sans réponse", déclare Blochowicz. Par exemple, il reste à clarifier dans quelle mesure la réversibilité observée en termes de temps matériel est due à la réversibilité des lois physiques de la nature, ou comment le tic-tac de l'horloge interne diffère selon les matériaux.
Les chercheurs souhaitent approfondir leurs recherches, de sorte que des découvertes plus intéressantes pourraient être faites.
Plus d'informations : Böhmer, T. et al, Réversibilité temporelle lors du vieillissement des matériaux. Physique de la nature (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02366-z
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par la Technische Universitat Darmstadt
