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En dépit de son utilisation millénaire, le verre reste un matériau mystérieux.
Récemment, des scientifiques allemands ont identifié un nouvel état de la matière, connu sous le nom de verre liquide et présentant des propriétés inhabituelles.

Un comportement complexe

Lorsqu’une substance passe de l’état liquide à l’état solide, les atomes qui s’écoulaient auparavant librement s’alignent pour former un cristal rigide. Ce qui n’est pas le cas du verre, techniquement considéré comme un solide amorphe et dont les atomes se figent, généralement, dans leur état désordonné.

Dans le cadre de nouveaux travaux présentés dans la revue PNAS, une équipe de chercheurs de l’université de Constance a en effet découvert une forme de ce matériau dans laquelle les atomes présentent un comportement complexe n’ayant jamais été observé auparavant dans le verre en vrac. Pour faire simple, les atomes peuvent se déplacer mais ne peuvent pas tourner.

Cette caractéristique a été observée dans un système modèle de suspensions colloïdales, des mélanges constitués de grandes particules solides en suspension dans un fluide qui permettent aux scientifiques d’observer plus facilement le comportement physique des atomes ou des molécules. Habituellement sphériques, les particules utilisées pour cette expérience étaient elliptiques, afin de permettre à l’équipe de déterminer dans quelle direction elles pointaient.

Image montrant la position et l’orientation des particules ellipsoïdales dans des agglomérats de verre liquide — © Groupes de recherche du professeur Andreas Zumbusch et du professeur Matthias Fuchs

Les chercheurs ont testé différentes concentrations de particules dans le fluide, en étudiant leur capacité à se déplacer et à tourner, et ont finalement découvert qu’à des concentrations plus élevées, les particules se gênaient mutuellement dans leur rotation, mais qu’elles pouvaient toujours se déplacer, formant ainsi un état de verre liquide.

« À certaines densités de particules, le mouvement d’orientation s’est figé alors que le mouvement de translation a persisté »

« À certaines densités de particules, le mouvement d’orientation s’est figé alors que le mouvement de translation a persisté, ce qui a donné des états vitreux où les particules se sont regroupées pour former des structures locales d’orientation similaire », détaille Andreas Zumbusch, auteur principal de l’étude.

Les chercheurs allemands indiquent que le comportement observé provient de deux transitions vitreuses concurrentes qui interagissent l’une avec l’autre. Le verre liquide a été prédit depuis des décennies, et ces récentes observations suggèrent que des processus similaires pourraient être à l’œuvre dans d’autres systèmes de formation du verre.

« C’est incroyablement intéressant d’un point de vue théorique », estime Matthias Fuchs, auteur principal de l’étude. « Nos expériences fournissent le type de preuves de l’interaction entre les fluctuations critiques et l’arrêt du verre que la communauté scientifique recherche depuis de nombreuses années. »

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