Des chercheurs de l'UAB et de l'ICN2 ont développé une méthodologie qui permet pour la première fois d'observer au microscope, en temps réel, ce qui se passe lorsque le verre est chauffé et passe à une phase liquide surfondue, connue sous le nom de « transition vitreuse ». " La recherche, publiée dans Nature Physics , est d'une grande importance pour la cryoconservation des protéines, des cellules et des tissus vivants, pour la fabrication de médicaments et d'appareils électroniques, ainsi que pour l'ingénierie tissulaire, où cette transition verre-liquide joue un rôle clé.
Le verre est un matériau solide avec une structure tellement désordonnée qu’il pourrait être considéré comme un liquide d’une viscosité extraordinairement élevée. On le retrouve dans les vitrages transparents et vitraux, dans les écrans de télévision et les appareils mobiles, dans les fibres optiques, dans les matières plastiques industrielles, mais aussi à l'état de protéines, de structures cellulaires et de tissus vivants lorsqu'ils sont congelés pour être cryoconservés.
Bien qu’ils soient si courants, il est très difficile de développer des théories et des modèles capables d’expliquer leur comportement en détail. Les mécanismes par lesquels un liquide refroidit et se transforme en verre, et inversement, comment un verre se transforme en liquide lorsqu'il est chauffé, ce qu'on appelle la « transition vitreuse », ne sont pas encore entièrement compris.
Les physiciens ne savent toujours pas s'il s'agit d'une transition de phase et le verre peut être considéré comme un état thermodynamique distinct des états liquide et solide; ou si le verre est simplement un liquide surfondu – refroidi en dessous de la température de congélation mais conservant ses propriétés liquides – dont les atomes ou les molécules ont très peu de mobilité. L'une des difficultés majeures dans la compréhension de ce processus réside dans la difficulté de le visualiser au microscope avec une résolution suffisante, car les structures du liquide surfondu et du verre sont pratiquement impossibles à distinguer.
Une équipe dirigée par des chercheurs du Département de physique de l'Université autonome de Barcelone (UAB) et de l'Institut catalan de nanosciences et nanotechnologies (ICN2), avec la participation de l'UPC et de l'IMB-CNM-CSIC, a présenté une nouvelle méthodologie qui permet d'observer directement au microscope ce qui se passe dans un verre lorsqu'il est chauffé au-dessus de la température de transition vitreuse, appelé processus de « relaxation » qui le transforme en liquide.
Les chercheurs ont travaillé avec du verre organique ultra-stable, préparé par évaporation thermique. Ils sont plus denses et présentent une stabilité cinétique et thermodynamique plus élevée que les verres conventionnels obtenus directement à partir de liquides. Contrairement au verre conventionnel qui, comme vu jusqu'à présent, se transforme globalement à l'état liquide, sans distinction claire entre les différentes régions du matériau, ce verre ultra-stable passe à un état liquide surfondu de la même manière que le font les solides cristallins lorsqu'ils passent à l'état liquide. l'état liquide, avec la formation de zones de phase liquide qui s'agrandissent progressivement.
Il s’agit d’un processus déjà décrit indirectement par des mesures nanocalorimétriques et observé uniquement dans des modèles informatiques. "Auparavant, on avait déjà déduit de ces modèles que les zones de phase liquide produites présentaient une séparation extraordinaire entre elles lorsqu'il s'agit de verre ultra-stable, mais cela n'a jamais été observé directement", explique Cristian Rodriguez Tinoco, chercheur à l'UAB et l'ICN2.
La nouvelle méthode développée pour observer cette transition consiste à prendre en sandwich le verre ultra-stable entre deux couches de verre ayant une température de transition plus élevée. Lorsque la couche de verre ultrastable est chauffée au-dessus de sa température de transition, les instabilités qui se produisent à la surface sont transférées aux couches externes du sandwich et peuvent être observées directement avec un microscope à force atomique.
"Il s'agit de mouvements et de compressions très faibles, de l'ordre de quelques nanomètres au début de la transformation, mais suffisamment importants pour être mesurés précisément avec un microscope de ce type, qui surveille in situ les déformations de surface apparaissant au-dessus de la température de transition", explique le doctorat. étudiante Marta Ruiz Ruiz.
Les travaux permettent de suivre en temps réel la dévitrification du verre. Il permet de quantifier la dynamique du processus de relaxation dans des cristaux ultra-stables vers un liquide surfondu en mesurant directement les distances entre les domaines liquides qui apparaissent, tout en observant la déformation de la surface et son évolution dans le temps. De cette façon, il a été possible de confirmer à quel point ces distances entre les zones liquides sont extraordinairement grandes dans ce type de verre, et la corrélation de ces distances avec les échelles de temps du matériau, comme le prédisent les modèles informatiques.
"La description microscopique que nous avons réalisée a rendu possible pour la première fois une comparaison directe entre les modèles informatiques et la réalité physique. Nous pensons que cette technique sera également très utile pour explorer la transition vitreuse à des échelles de temps et d'espace plus petites, ce qui permettra une meilleure compréhension de la transition dans le verre moins stable produit à partir de liquides refroidis", conclut Javier Rodríguez Viejo, chercheur à l'UAB et à l'ICN2.
Plus d'informations : Marta Ruiz-Ruiz et al, Microscopie en temps réel de la relaxation d'un verre, Nature Physics (2023). DOI :10.1038/s41567-023-02125-0
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'Université autonome de Barcelone
