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Le mystère du verre éclairci grâce à l'ordinateur

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L'humanité sait fabriquer du verre depuis cinq mille ans au moins puisque la technique était connue des Egyptiens. Toutefois, la compréhension exacte de ce matériau, ni tout à fait un solide ni vraiment un liquide, fait toujours défaut. Une équipe de chercheurs américains et britanniques vient de publier dans Science les résultats de simulations numériques qui aident à comprendre comment le verre prend l'aspect d'un solide en se refroidissant.

Coupe en verre émaillé du 15ème siècle attribuée à Angelo Barovier. Crédit : Musée du Verre de Murano (Venise)

La fabrication d'objets en verre était déjà florissante au Moyen-Orient et en Egypte autour du 15ième siècle avant J.C. Mais c'est au 1er siècle avant J.C. qu'est survenue, en Syrie, une révolution technique : la découverte du soufflage du verre. Le procédé sera repris et amélioré par les Romains et aboutira aux célèbres objets en verre des souffleurs de l'île de Murano, à Venise.

Malgré tout, on ne sait toujours pas prédire avec la précision que l'on voudrait les propriétés d'un verre de composition donnée, fabriqué selon une suite d'opérations précises. Cet aléas contraste avec l'énorme savoir accumulé et avec le succès de la thermodynamique chimique dans le domaine de la conception et de la réalisation des alliages. Les raisons de cette anomalie doivent être recherchées au niveau microscopique.

On constate d'abord que selon la vitesse de refroidissement, la température faisant passer le verre de l'état liquide à l'état solide varie. Ce phénomène suffit déjà à remettre en question l'application au verre du concept de transition de phase, bien connu dans le cas de l'eau se transformant en glace. Ce problème devient plus aigu lorsqu'on applique la technique de diffraction de rayons X pour comprendre ce que l'on appelle la transition vitreuse.

Dans un liquide, même si la diffraction des rayons X montre l'existence de quelques agrégats transitoires d'atomes ou de molécules présentant une structure ordonnée, c'est le désordre et l'agitation qui dominent largement. En revanche, lorsque de l'eau gèle par exemple, il apparaît nettement une structure cristalline ordonnée donnant un sens clair à la notion de transition de phase liquide-solide. Mais au sein du verre, le désordre continue à exister même lorsque le matériau prend l'aspect d'un solide.

Cliquez pour agrandir. Philip Anderson. Crédit : Santa Fe Institute

Il y a bien une transition de phase

Des décennies de travaux théoriques ne sont pas venus à bout des mystères du verre, même si certains ont proposé l'apparition d'agrégats ordonnés possédant une structure de solides platoniciens lorsque le verre refroidit. Il est n'est probablement pas exagéré de dire que la déclaration du prix Nobel de physique Philip W. Anderson est toujours d'actualité : « Le problème le plus profond et le plus intéressant en physique de l'état solide est sûrement celui de la nature du verre et de la transition vitreuse ».

Il faut savoir que même à l'état solide, le verre n'est pas en équilibre thermodynamique et continue à évoluer avec le temps. Alors que les liquides habituels atteignent rapidement leur état d'énergie minimum en se cristallisant, le verre posséderait un temps particulièrement long pour y arriver. On serait donc en présence d'une sorte de liquide très visqueux en route vers un état cristallin lointain. C'est en tout cas une piste pour tenter de comprendre ce matériau.

Pour essayer d'y voir plus clair, un groupe de chercheurs des universités de Nottingham (Royaume-Uni), Berkeley (Etats-Unis) et Bath (Royaume-Uni) ont simulé la transition vitreuse sur ordinateur en s'appuyant sur les techniques de dynamique moléculaire.

Selon eux, on peut parler d'une transition de phase mais qui serait d'un nouveau genre et en relation avec de la thermodynamique de non-équilibre. Cela représente peut-être une étape significative pour mieux comprendre le vieillissement de nombreux matériaux qui nous entourent, alliages métalliques, plastiques, verres de stockage des déchets radioactifs, ou pour concevoir sur mesure des verres présentant des caractéristiques données.

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