Sous une apparence simple, le verre dissimule une véritable complexité pour les scientifiques. Comme tout solide amorphe, bien que dur au toucher, il se comporte toutefois comme un fluide au niveau atomique. Cette dynamique est fortement corrélée à la température, ce qui rend son étude éminemment difficile. Cependant, la mise au point d’un nouvel algorithme a permis pour la première fois à des physiciens de pouvoir prédire le comportement atomique du verre en tenant compte de la température.
Malgré son aspect relativement simple, la structure interne du verre est d’une étonnante complexité. Il est notamment difficile pour les chercheurs d’en prédire sa dynamique sous des variations de température. Mais grâce à un nouvel algorithme permettant de prédire les propriétés dépendantes de la température du verre, les chercheurs pourraient être sur le point de lever les dernières zones d’ombre persistantes.
« Aussi simple que soit l’apparence du verre, il s’agit d’un matériau très étrange » déclare Sinan Keten, physicien des matériaux à la Northwestern University. « Il est amorphe et n’a pas de structure d’équilibre, il évolue donc constamment en raison des mouvements lents de ses molécules ».
La température : un facteur limitant dans l’étude du verre
À cause de ces mouvements au niveau moléculaire, le verre ne forme jamais d’état solide idéal, dans lequel les atomes s’organisent en une structure cristalline ordonnée et prévisible. Théoriquement, avec le temps nécessaire, le verre pourrait y arriver un jour et atteindre son équilibre idéal, mais cela prendrait énormément de temps du fait de la lenteur des processus atomiques.
L’autre difficulté est la température. Le verre — à la fois le verre à base de silice et d’autres types de matériaux vitreux amorphes, tels que les polymères — est en effet très sensible aux changements de température, ce qui rend encore plus compliqué l’atteinte d’un état solide. La chaleur est l’une des causes de ce que l’on appelle la transition vitreuse, dans laquelle les solides amorphes chauffés passent de leur état vitreux dur à une forme plus liquide et visqueuse.
« En raison de la nature amorphe et désordonnée du verre, ses propriétés pourraient varier considérablement avec la température, ce qui compliquerait grandement la prévision de son comportement physique » explique Wenjie Xia, ingénieur à la North Dakota State University. « Maintenant, nous avons trouvé un nouveau moyen de résoudre ce problème ».
Un nouvel algorithme permettant de prédire efficacement la dynamique du verre
L’un des défis de la science des matériaux consiste à trouver des moyens de simuler le comportement de différents types de matériaux vitreux lorsqu’ils sont chauffés.
L’exécution de ce type de calcul est extrêmement complexe et long, en raison de la complexité moléculaire de la structure désordonnée et variable du verre. Avec un nouvel algorithme utilisant la modélisation à grain grossier, les chercheurs affirment qu’ils ont été en mesure d’accélérer le processus d’environ mille fois. Les résultats ont été publiés dans la revue Science Advances.
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Au lieu d’essayer de calculer la position et les liaisons moléculaires de chaque atome, l’algorithme de renormalisation d’énergie tente uniquement de 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 — le polybutadiène, le polystyrène et le polycarbonate — les résultats ont montré que les simulations à grain grossier correspondaient exactement au comportement réel de ces matériaux.
« Expliquer la physique des verres a été l’un des plus gros problèmes que les scientifiques n’ont pas été en mesure de résoudre. Mais nous nous rapprochons de la compréhension de leur comportement et de la résolution du mystère » conclut Keten.