Des scientifiques ont découvert comment créer un verre qui repousse les limites de la physique

Le verre, une énigme scientifique vieille de plusieurs millénaires

Nous l’utilisons depuis environ 5 000 ans sans vraiment y penser, mais le verre reste une énigme pour la science. Bien qu’il soit indéniablement solide, sa structure moléculaire est désordonnée, à la manière d’un liquide. Cette particularité lui vaut parfois le surnom de « liquide en animation suspendue » : ses molécules, semblables à celles d’un fluide, ne s’écoulent pas, mais elles ne se cristallisent pas non plus comme le ferait un solide classique.

C’est cette nature paradoxale qui a donné naissance à une question fondamentale, posée il y a plus de soixante-dix ans. Une interrogation qui a longtemps semblé insoluble : pourrait-on, en théorie, créer un état de la matière alliant le désordre du verre à la perfection d’un cristal ?

Le paradoxe de Kauzmann, une quête de l’impossible

En 1948, le chimiste américain Walter Kauzmann a soulevé une hypothèse audacieuse. Il s’est demandé si le verre, en étant refroidi sur une période de temps extrêmement longue, pourrait atteindre un état de perfection. Il a imaginé que les molécules, en se refroidissant très lentement, auraient le temps de se réorganiser pour atteindre la disposition la plus dense possible. Cet état théorique a été baptisé « verre idéal ».

Kauzmann a théorisé qu’une fois que le liquide atteindrait le même niveau d’entropie (une mesure du désordre) que celui qui existe typiquement lors de la formation d’un cristal, le verre pourrait acquérir un ordre parfait. Chaque molécule influencerait alors la position de ses voisines. Cependant, un obstacle de taille se dressait : atteindre cet état nécessiterait un temps de refroidissement quasiment infini. Face à la nature paradoxale de ce concept, Kauzmann lui-même a fini par écarter son idée.

Une simulation numérique relance le débat

Le débat aurait pu en rester là. Pourtant, une nouvelle étude, publiée dans la revue scientifique Physical Review Letters, vient de démontrer par simulation informatique que cet état de « verre idéal » est bel et bien possible, du moins en deux dimensions. L’équipe de chercheurs, issue de plusieurs universités américaines, a été dirigée par Eric Corwin, un physicien de l’Université de l’Oregon (UO).

Leur travail apporte une réponse à une question qui taraude les physiciens. « Si vous regardez le verre au niveau moléculaire, vous verriez que les molécules sont disposées de manière amorphe. Elles sont en quelque sorte aléatoires. Elles sont toutes pressées les unes contre les autres, mais il n’y a pas de structure », explique Eric Corwin, l’auteur principal de l’étude, dans un communiqué de presse. Il pose alors la question clé : « Comment obtenir une stabilité, une stabilité mécanique, dans un système totalement amorphe, qui ressemble à un liquide ? »

Construire le verre idéal, une recette en 2D

Pour répondre à cette question, l’équipe d’Eric Corwin a utilisé le supercalculateur de l’Université de l’Oregon. Les chercheurs ont construit un modèle informatique de disques en deux dimensions, regroupés de manière à ressembler aux alvéoles d’un nid d’abeilles. Ils ont ensuite retiré le réseau cristallin sous-jacent tout en préservant la structure globale.

L’étape cruciale a consisté à permettre aux particules de verre de changer de taille au fur et à mesure qu’elles se tassaient. Le résultat est stupéfiant : la structure finale apparaît amorphe, comme celle du verre ordinaire, mais elle présente toutes les propriétés connues d’un cristal. Elle réagit notamment de la même manière à la pression, à la flexion et à la fusion.

Une résolution inattendue et des applications révolutionnaires

Cette expérience numérique résout un paradoxe de longue date. « Nous pensons que nous avons trouvé une solution, en montrant qu’un tel état n’est pas du tout un paradoxe ; en effet, nous pouvons le construire », a déclaré Eric Corwin à Phys.org. « Nous avons montré qu’on ne peut pas espérer atteindre ces structures simplement en attendant, mais qu’elles existent néanmoins. Le fait qu’une structure sans ordre spatial (c’est-à-dire une structure amorphe) puisse tout de même être très ordonnée dans un sens plus abstrait (c’est-à-dire une entropie configurationnelle nulle) est une énorme surprise. »

Même si les chercheurs doivent encore étendre leurs travaux à trois dimensions, cette découverte a des implications majeures. Comprendre comment construire un « verre idéal » pourrait améliorer les techniques de fabrication d’autres matériaux, comme les verres métalliques, qui sont des structures métalliques avec une configuration désordonnée. « Si nous pouvions développer une bien meilleure compréhension de la transition vitreuse et comprendre ce qui rend un alliage plus ou moins apte à former un verre métallique, nous pourrions concevoir des alliages que l’on pourrait refroidir beaucoup plus lentement », a conclu Eric Corwin. « Ce serait révolutionnaire. »

Selon la source : popularmechanics.com