Verre : corps solide ou liquide ultra-écolier ? Les physiciens révèlent une troisième option avec une nouvelle phase d’équilibre !

Le verre classique, bien que semblant être un matériau solide, possède en réalité des caractéristiques fascinantes. Du point de vue de la physique, il est souvent considéré comme étant un liquide à l’état de repos. Les molécules de verre, en raison d’un refroidissement rapide, n’ont pas eu le temps de se cristalliser correctement et sont restées dans un arrangement aléatoire.

Ce phénomène est qualifié d’état non-équilibré en thermodynamique, signifiant ainsi que la structure interne n’est pas stable. Selon les lois de la physique, tout verre classique aspire à se transformer en cristal, car cette forme nécessite moins d’énergie pour sa pérennité. Cependant, le mouvement limité des atomes dans le verre froid transforme ce processus en une quête qui peut durer des millions d’années. Pendant de nombreuses années, la communauté scientifique a soutenu l’idée que tout état vitreux et désordonné est, intrinsèquement, une anomalie d’un processus de formation, existerant en dehors de l’équilibre thermodynamique.

Pendant ce temps, une équipe internationale de physiciens de l’Université d’Utrecht aux Pays-Bas a remis en question cette assertion. Dans une étude approfondie publiée dans Nature Communications, ils ont décrit la création et la démonstration d’un tout nouvel état de la matière : le verre rotatif à l’état d’équilibre. Les chercheurs ont réussi à prouver expérimentalement que le placement désordonné des particules dans l’espace peut constituer un état de stabilité et d’énergie optimaux pour le système.

Mécanique des mouvements : dynamique de translation et rotation

La distinction entre les fluides et les solides habituels repose sur les types de mouvements accessibles aux particules. On peut distinguer deux formes principales de mobilité : la translational et la rotationnelle. La mobilité translational implique que les molécules ou atomes peuvent se déplacer dans l’espace, tandis que la mobilité rotationnelle fait référence à la capacité d’une particule à tourner autour de son propre axe. Dans l’eau, les molécules expérimentent les deux formes de liberté. En revanche, dans un cristal de glace, celles-ci sont figées dans une structure réseau et orientées de manière rigide.

Les scientifiques se sont interrogés sur ce qui se passerait si ces deux types de mouvements étaient artificiellement dissociés dans un système de particules complexes.

Pour l’expérience, les chercheurs ont synthétisé des particules colloïdales de forme cylindrique mesurant environ 2,5 micromètres de long, constituées de dioxyde de silicium et dotées d’une surface fortement électriquement chargée. Lorsque ces particules étaient placées dans un solvant spécifique, elles se repoussaient énergiquement, créant une zone de rejet invisible autour d’elles qui empêchait tout rapprochement.

Immobilité dans l’espace avec rotation conservée

Au cours de l’expérience, la concentration des tiges chargées a été augmentée progressivement. D’habitude, des particules comprimées s’organisent en un réseau cristallin dense, optimisant ainsi l’espace. Cependant, ces tiges colloïdales ont montré un comportement différent. Une fois la concentration atteinte, leur mouvement translational s’est arrêté complètement, résultant en un état classique de verre solide, mais les tiges ont maintenu leur capacité de rotation, continuant à tourner sans interruption dans toutes les directions.

Ce nouvel état, qui allie immobilité des coordonnées et dynamique liquide de rotation, a été désigné sous le nom de « verre rotatif ».

Expérience avec un champ électrique : preuve de la stabilité

Avoir identifié ce nouvel état ne suffisait pas. L’objectif scientifique principal était de prouver sa stabilité thermodynamique. Les chercheurs ont dû éliminer l’idée que le système était simplement piégé dans un état de cristallisation rapide, à la manière d’un verre classique.

Pour valider cette hypothèse, les physiciens ont soumis une capsule contenant la suspension de verre rotatif à un champ électrique. Ce dernier a forcé les tiges à s’aligner parallèlement au vecteur de tension, stoppant ainsi leurs rotations. Quand ce champ est désactivé, les tiges retrouvent leur capacité de rotation, provoquant l’effondrement du cristal et le retour à l’état chaotique de verre rotatif.

Ce phénomène réversible a constitué une preuve irréfutable de l’équilibre thermodynamique ; il suggère que pour ces particules, l’état chaotique est la forme d’existence physiquement la plus avantageuse.

Modélisation informatique et fondements théoriques

Pour valider les résultats expérimentaux, des simulations informatiques complexes ont été réalisées, utilisant un modèle mathématique décrivant les interactions entre les tiges chargées. Les calculs d’énergie libre ont corroboré les observations expérimentales, affirmant qu’une phase thermodynamiquement stable existe, dépourvue de tout ordre spatial mais avec une dynamique de rotation intacte.

Impact de la découverte sur la science fondamentale

La nature de la transition vers un état vitreux est un mystère central en physique des matériaux. Ces travaux offrent un nouveau cadre pour étudier le phénomène de vitrification, aidant à appliquer des modèles mathématiques fiables pour analyser les systèmes vitreux.

Comprendre comment la dissociation des mouvements de translation et de rotation façonne la structure de la matière peut ouvrir de nouvelles opportunités en science des matériaux, de la conception de nouveaux écrans aux matériaux polymères renforcés, enrichissant notre savoir dans divers domaines, dont la biologie moléculaire.