Nous venons de faire un grand pas en avant pour résoudre l’étrange physique du verre

Pour quelque chose d’aussi banal, le verre est en fait un incroyable mystère, une énigme de la physique qui défie toute compréhension depuis que l’homme l’a rencontré pour la première fois il y a des millénaires.

La raison en est la suivante : le verre n’est pas un solide ordinaire. Mais ce n’est pas non plus un liquide. Il se situe quelque part entre les deux, un hybride étrange connu sous le nom de solide amorphe – quelque chose de ferme au toucher, mais qui, au niveau atomique, se comporte plutôt comme un liquide.

Grâce à un nouvel algorithme qui permet de prédire les propriétés du verre en fonction de la température, les scientifiques ont fait une percée qui pourrait nous permettre de mieux comprendre ce qui se passe sous la surface du verre.

Cela signifie que nous avons fait un grand pas vers la prédiction du comportement du verre à différentes températures, ce qui pourrait nous aider à trouver des moyens plus rapides et plus efficaces de découvrir de nouveaux types de matériaux et de comprendre comment le verre dans son ensemble existe de manière aussi étrange.

“Aussi simple qu’il puisse paraître, le verre est un matériau très étrange”, explique Sinan Keten, spécialiste des matériaux informatiques à la Northwestern University.

“Il est amorphe et n’a pas de structure d’équilibre, il évolue donc constamment par des mouvements lents de ses molécules.”

Représentation du système modèle CG simulé (Wenjie Xia)

En raison de ces mouvements au niveau moléculaire, le verre ne forme jamais l’état idéal d’être un solide, dans lequel les atomes s’agencent en une structure cristalline ordonnée et prévisible.

Avec suffisamment de temps, le verre pourrait théoriquement y parvenir un jour et atteindre son état d’équilibre idéal, mais cela prendrait un temps extraordinairement long – plus de plusieurs siècles, selon les scientifiques – en raison de la lenteur des processus atomiques.

L’autre difficulté est la température. Le verre – qu’il s’agisse du verre à base de silice ou d’autres types de matériaux vitreux amorphes, comme les polymères – est également très sensible aux changements de température, ce qui rend la réalisation de son état idéal encore plus improbable.

La chaleur est l’un des facteurs qui déclenchent ce que l’on appelle la transition vitreuse, au cours de laquelle des solides amorphes chauffés passent de leur état dur et vitreux à une forme plus liquide et visqueuse.

Il s’agit d’une astuce plutôt cool (et réversible), mais c’est un autre élément qui rend la physique des différents types de verre difficile à cerner.

“En raison de la nature amorphe et désordonnée du verre, ses propriétés peuvent varier considérablement avec la température, ce qui rend la prédiction de son comportement physique extrêmement difficile”, explique l’ ingénieur Wenjie Xia de la North Dakota State University.

“Aujourd’hui, nous avons trouvé une nouvelle façon de résoudre ce problème”

L’un des défis de la science des matériaux consiste à concevoir des moyens de simuler le comportement de différents types de matériaux vitreux lorsqu’ils sont chauffés. L’exécution de ce type de calculs prend cependant beaucoup de temps, en raison de la complexité moléculaire de la structure désordonnée et variable du verre.

Grâce à un nouvel algorithme faisant appel à la modélisation à gros grains (CG), les chercheurs affirment toutefois être parvenus à accélérer le processus d’environ mille fois.

La technique permet d’y parvenir en prenant un peu de recul.

Au lieu d’essayer de calculer la position et les liaisons moléculaires de chaque atome, l’algorithme de renormalisation de l’énergie des chercheurs ne cherche qu’à calculer des groupes d’atomes, ce qui donne une vision plus large de l’entropie et de l’enthalpie affectant le système.

En testant leur approche avec trois types différents de polymères vitreux – polybutadiène, polystyrène et polycarbonate – les résultats ont montré que les simulations à gros grains correspondaient exactement au comportement de ces matériaux dans le monde réel.

“Expliquer la physique des verres est l’un des plus grands problèmes que les scientifiques n’ont pas réussi à résoudre”, a déclaré Keten.

“Nous nous rapprochons de la compréhension de leur comportement et de la résolution de ce mystère”

Les résultats sont publiés dans Science Advances.