Si le verre n'est ni solide ni liquide, alors de quoi s'agit-il? Photo par l'utilisateur de Flickr -Kenzie-
Un verre de merlot peut rendre le monde rose, mais cela peut aussi être une source de frustration pour un physicien. Le vin coule, éclabousse et tourbillonne, mais le verre reste rigide comme un vase solide. Zoomez sur le merlot et vous verrez des molécules serrées mais se déplaçant sans position fixe. Zoomez sur le verre à vin et vous verrez également cet arrangement désordonné, mais aucun mouvement.
Au niveau atomique, les deux formes de matière se ressemblent. Même si un verre est gelé, il ne possède pas la structure cristalline rigide trouvée, par exemple, dans les glaçons.
Les scientifiques qui étudient le verre ont observé des versions déformées des icosaèdres (icosaèdre à gauche, version déformée à droite). Image via Science / Chen et Kotani
Bien que les artisans fabriquent du verre depuis des millénaires et que les scientifiques étudient sa structure depuis des décennies, il n’existait jusqu’à présent aucune preuve expérimentale permettant de confirmer ce qui empêche les cristaux qui forment les verres de se cristalliser. Dans un nouvel article publié en ligne dans Science, une équipe de chercheurs japonais a utilisé un microscope à diffraction électronique de haute puissance pour voir le verre à la plus petite échelle encore. À une résolution si élevée, ils ont vu ce qui semblait être une unité de base de certains verres – atomes emballés dans une version déformée d'un icosaèdre, une forme tridimensionnelle à 20 faces.
À l'aide d'outils géométriques sophistiqués, l'équipe a caractérisé ces distorsions, indiquant dans le document qu'elles permettaient au système de «conserver un empilement atomique dense et un état de basse énergie». Certains arrangements d'atomes, concluent les chercheurs, constituent l'essence même de la interférer avec le développement de un cristal bien organisé.
Les vues multiples d'images microscopiques d'atomes dans le verre (à droite) ont permis aux chercheurs de schématiser le niveau de distorsion des icosaèdres spécifiques qui organisaient les atomes (à gauche). Image via Science / Chen et Kotani
Bien que les chercheurs aient étudié un verre à base de zirconium et de platine, et non votre vitre moyenne, les résultats pourraient s’appliquer plus largement aux verres. En comprenant comment les atomes s'organisent, les scientifiques spécialistes des matériaux peuvent trouver des moyens de fabriquer de nouvelles lunettes et de manipuler celles qu'elles possèdent.
Mais le verre est loin d’être compris. Bien que l’étude explique pourquoi certains liquides forment des verres Au lieu de cristalliser, cela n'explique pas pourquoi ces liquides peuvent devenir suffisamment lents pour être solides, explique le chimiste Patrick Dubay University à la Duke University. Une large communauté de scientifiques tente de résoudre le problème des lenteurs depuis les années 1980 , mais ils ne peuvent pas se mettre d'accord sur la solution et se disputent même sur la meilleure approche.
Une stratégie populaire prend du recul pour essayer de comprendre comment les atomes remplissent un espace donné. Il traite les atomes dans le verre comme des sphères dures emballées ensemble. Simple, non? «Il n'y a pas de mécanique quantique, pas de théorie des cordes, il n'est pas nécessaire d'invoquer l'espace extra-atmosphérique», explique Charbonneau. Et pourtant, même étudier le verre de cette manière s’est révélé extrêmement difficile en raison des complications inhérentes à la détermination de la position que pourraient occuper autant de particules. Outre le défi inhérent à la description de la disposition des sphères, cette approche est une simplification et sa pertinence pour les lunettes du monde réel n’est pas claire.
Pourtant, Charbonneau semble énergique quand il parle de tels problèmes de recherche. Son verre de merlot est à moitié plein, car il pense que les dernières années ont été très fructueuses. Les scientifiques, dit-il, sont devenus plus créatifs en posant des questions sur le verre. Les recherches de Charbonneau simulent le verre dans des dimensions plus élevées, ce qui pourrait avoir des conséquences importantes sur le degré de désordre du verre tridimensionnel. D'autres chercheurs envisagent ce qui se passerait si vous immobilisiez certaines particules dans un liquide en surfusion, dans l'espoir de voir comment de tels liquides atteignent un état vitreux. D'autres encore considèrent les atomes dans le verre comme des entités capables de se déplacer seules, un peu comme des cellules biologiques. Tous ces efforts tentent de déterminer les types d'interactions qui contribuent à la formation de verre, afin que les scientifiques reconnaissent une très bonne théorie de la mollesse quand ils la voient.
Malgré toutes ces discussions sur le mouvement, ne vous attendez pas à voir votre verre de vin couler de manière visible de si tôt. Ce verre «durera plus longtemps que l’échelle de temps de l’univers», dit Charbonneau. Affirme que le vitrail des cathédrales médiévales est plus épais au fond car les coulées de verre sont superposées. Mais exactement pourquoi il ne coule pas reste toujours un mystère.
