LES PHYSICIENS sont en train de comprendre pourquoi les matériaux, tels que la glace et le métal, fondent lorsqu'ils sont chauffés, grâce à une nouvelle théorie développée par des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie.

Ces travaux révolutionnaires, publiés dans la prestigieuse revue Science, mettent en lumière un mystère fondamental qui intrigue les scientifiques depuis des siècles.

Comprendre la fonte à l’échelle atomique est vital, car elle sous-tend toute une série de phénomènes allant du changement climatique à la fonctionnalité des appareils électroniques comme les smartphones.

L'énigme de la fusion

Imaginez que vous placez de la glace dans une pièce chaude et que vous la voyez se transformer lentement en eau liquide, un phénomène que nous tenons pour acquis dans la vie de tous les jours.

Au niveau atomique, ce processus implique le réarrangement de la structure cristalline ordonnée de la glace en un état liquide plus désordonné. L'énergie thermique, fournie par la pièce chaude, fournit le coup de pouce nécessaire pour vaincre les forces qui maintiennent les atomes ou les molécules fixés dans leurs positions cristallines, leur permettant ainsi de circuler librement les uns sur les autres.

Les scientifiques recherchent depuis longtemps une compréhension détaillée de ce processus, une description qui rende compte des conditions spécifiques requises pour provoquer la fonte. Pourquoi, par exemple, la glace fond-elle à une température spécifique, alors que des métaux comme le cuivre fondent à des températures beaucoup plus élevées ?

La réponse réside dans la force des liaisons interatomiques, les forces qui maintiennent les atomes ou les molécules ensemble dans un solide.

Dans les solides, ces forces sont suffisamment fortes pour maintenir les atomes en place, formant ainsi des structures cristallines régulières. À mesure que la température augmente, l’énergie ajoutée fait vibrer les atomes plus vigoureusement, affaiblissant progressivement ces liaisons.

Une fois que l’énergie vibratoire dépasse la force des liaisons, la structure cristalline s’effondre et le matériau fond, passant de l’état solide à l’état liquide.

UNE NOUVELLE THÉORIE ET ​​DES ATOMES EXTRA-LARGES

Bien que cette compréhension générale de la fusion existe depuis un certain temps, les scientifiques ont eu du mal à développer une théorie précise capable de prédire avec précision la température de fusion de différents matériaux.

Le problème se pose parce que la force des liaisons interatomiques dépend non seulement du matériau lui-même, mais également des détails complexes de la façon dont les atomes sont disposés dans le réseau cristallin – un problème complexe à aborder théoriquement.

La nouvelle théorie, formulée par une équipe dirigée par Gregory G. Barba, Ph.D., professeur adjoint au Département de physique et d'astronomie de Penn, contourne cette complexité en introduisant une nouvelle approche.

"Notre théorie s'inspire d'une classe inhabituelle de matériaux appelés colloïdes mous", explique Barba. "Ils ressemblent à des atomes de grande taille, dont le diamètre est des centaines de fois plus grand que celui des atomes ordinaires."

Dans ces colloïdes mous, les forces agissant entre les particules se comportent d’une manière plus simple que celles des matériaux conventionnels, ce qui facilite leur étude et leur compréhension.

En analysant la façon dont ces particules géantes interagissent et fondent, les chercheurs ont acquis des connaissances clés qu’ils ont ensuite appliquées pour développer une théorie générale de la fusion.

Leur théorie repose sur le concept de « température effective », une mesure de la force avec laquelle les atomes vibrent au sein du réseau cristallin.

Lorsque la température effective d’un matériau dépasse une valeur critique, les liaisons interatomiques ne peuvent plus maintenir la structure cristalline ensemble, ce qui entraîne sa fusion.

"Notre théorie fournit une description mathématique précise du processus de fusion", explique Barba.

"Cela nous permet de prédire la température de fusion de différents matériaux en considérant seulement quelques caractéristiques clés de leurs interactions atomiques, telles que la force et la portée des forces qui les opposent."

FONTE DES MÉTAUX

Les chercheurs ont testé leur théorie en analysant le comportement de fusion d’une gamme de matériaux, des simples cristaux aux métaux complexes. Ils ont trouvé un excellent accord entre leurs prédictions théoriques et leurs mesures expérimentales.

"Notre travail révèle que le comportement de fusion de divers matériaux peut être compris grâce à un principe sous-jacent commun", explique Barba.

"En déverrouillant ce principe, nous acquérons une compréhension plus fondamentale de la raison pour laquelle les matériaux fondent et, potentiellement, de la manière de manipuler leurs propriétés."

IMPLICATIONS ET ORIENTATIONS FUTURES

Les chercheurs pensent que leurs travaux peuvent ouvrir la voie à de nombreuses applications, notamment la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés de fusion adaptées à des besoins technologiques spécifiques.

Par exemple, leurs découvertes pourraient aider au développement de matériaux ayant des points de fusion plus élevés destinés à être utilisés dans des environnements extrêmes, tels que les composants aérospatiaux ou les réacteurs nucléaires.

Barba et ses collègues prévoient d'affiner leur théorie et de l'étendre à l'étude de phénomènes de fusion plus complexes, notamment le comportement des mélanges et les effets de la pression sur la fusion.

"Nos travaux ouvrent de nouvelles voies d'exploration dans le domaine de la science des matériaux", déclare Barba.

"En élucidant les mécanismes fondamentaux à l'origine de la fusion, nous sommes sur le point de réaliser des progrès significatifs dans la conception et l'ingénierie des matériaux."