Sciences

Le secret du verre révélé : c'est un solide platonicien...

ActualitéClassé sous :physique , verre métalique , solide platonicien

-

Depuis des milliers d'années, l'homme sait fabriquer du verre et pourtant la physique de ce matériau étrange reste mal comprise. Aujourd'hui des chercheurs pensent avoir trouvé de nouveaux indices pour résoudre ce qui reste l'un des problèmes majeur de la physique de la matière condensée.

A gauche, le colloïde et à droite le gel en cours de refroidissement. Les structures icosaèdriques désordonnées (en rouge/rose) sont en train d'apparaître. Crédit : Paddy Royall

Le verre était connu des Egyptiens près de 3.000 ans avant JC mais il a fallu attendre les progrès de la physique moderne et la fondation de la théorie cinétique de la matière pour commencer à comprendre ce matériau fascinant. Le verre, bien qu'apparemment solide, possède bien des points communs avec un liquide.

On peut effectivement le considérer, même si l'expression est impropre, comme un liquide très visqueux, qui serait dans un état de surfusion. Cependant, il ne faut pas prendre cette définition au pied de la lettre pour des raisons liées à la thermodynamique des transitions de phases. On peut aussi le considérer comme un solide amorphe dans lequel les atomes occupent des positions désordonnées et ne forment pas un réseau cristallin. Le verre n’est donc ni vraiment un liquide ni vraiment un solide.

Toutefois, une récente étude publiée dans Nature Materials par un groupe de chercheurs britanniques,  japonais et australiens confirme une prédiction énoncée il y a cinquante ans par un physicien de l'Université de Bristol, Sir Charles Frank. Ce physicien avait compris que les atomes d'un liquide en train de se refroidir pour former un matériau à l'état vitreux, comme de l'obsidienne, devait se rassembler pour constituer un des fameux solides platoniciens : un icosaèdre. Cependant, ces structures elles-mêmes ne formeraient pas un réseau cristallin régulier, produirant ainsi des propriétés caractéristiques des liquides.

Remarquablement, Platon lui-même avait proposé que la matière était formée de l'association des cinq polyèdres réguliers convexes possibles, c'est-à-dire le tétraèdre, le cube, l'octaèdre, le dodécaèdre et l'icosaèdre.

Image au microscope confocal de l'apparition de structures icosaèdriques dans le gel en formation. La barre en blanc donne l'échelle, 10 micromètres. Crédit : Paddy Royall

Pour vérifier les idées de Franck, Paddy Royall de l'Université de Bristol avec ses collègues de l'Université de Tokyo et de l'Australian National University ont étudié le phénomène qui conduit à l’apparition d’un verre à partir d’un colloïde.

Les images prises au microscope du comportement des microsphères de protéines dans ce colloïde en train de se refroidir pour donner un gel ont effectivement montré l'apparition d'icosaèdres et l'absence de leur organisation en structure cristalline.

L'observation n'est pas vraiment surprenante car, de même qu'il n'est pas possible de réaliser un pavage régulier du plan avec des polygones réguliers possédant une symétrie d'ordre 5 (si l'on excepte les quasi cristaux de Penrose), il n'est pas possible de réaliser l'équivalent en 3D avec des icosaèdres.

L'équipe de chercheurs pense que la compréhension détaillée de la formation de ce genre de structure devrait conduire plus facilement à la création de nouveaux matériaux possédant les propriétés de ce qu'on appelle des verres métalliques.