Anisotropie à longue portée dans un verre métallique
Lorsque nous entendons le mot «verre», nous pensons généralement aux verres pour boire, aux vitres et aux écrans de smartphones. Cependant, ce type de verre, composé principalement de dioxyde de silicium, n’est que la partie émergée de l’iceberg lorsqu’il s’agit du point de vue d’un scientifique des matériaux sur les verres. Par exemple, il existe de nombreux types de verres métalliques, qui sont des alliages de métaux désordonnés et non cristallins comme la plupart des métaux. Leurs propriétés mécaniques supérieures ont conduit à leur utilisation dans des applications telles que le blindage de vaisseaux spatiaux, les implants biomédicaux et les têtes de clubs de golf. Malgré l’utilisation répandue et l’utilité des verres, les scientifiques en savent très peu sur leur structure et leur dynamique. Avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA) et sous la supervision de Giulio Monaco de l’Université de Padoue, le projet GlassX a tiré parti de la disponibilité récente d’une nouvelle génération de sources de rayons X pour réaliser des études détaillées de la structure et de la dynamique des verres à une résolution de l’ordre du nanomètre.
La transition vitreuse: un processus plus complexe qu’il n’y paraît
Les verres sont formés par le refroidissement d’un liquide, où l’écoulement est la manifestation globale du réarrangement microscopique continu des atomes du liquide. Lorsque le liquide est refroidi, l’écoulement devient de plus en plus lent, jusqu’à ce qu’il commence à se comporter comme un solide. C’est ce qu’on appelle la transition vitreuse. Cependant, même sous sa forme solide, le matériau n’est pas en équilibre. En fait, l’apparente «solidité» cache un réarrangement continu des atomes qui se «détendent» vers l’état de «verre idéal»: l’état d’énergie le plus bas, sur de très longues périodes de temps. Ainsi, les verres sont des états de matière non équilibrés qui sont considérés comme désordonnés comme un liquide. Du moins, c’était la théorie jusqu’à présent.
Les révélations de la nanodiffraction des rayons X de haute technologie
GlassX a exploité les rayons X très concentrés et très intenses de la Source Extrêmement Brillante (EBS) de l’Installation européenne de rayonnement synchrotron pour faire la lumière sur la structure et le comportement des verres. Selon Peihao Sun, chercheur à l’université de Padoue: «Le faisceau de rayons X très lumineux et étroit de l’EBS permet d’étudier la structure des matériaux à l’échelle de 100 nm. Cela nous a permis d’obtenir des informations sur les verres métalliques qui étaient auparavant inaccessibles. De manière remarquable, nous avons constaté que ces verres ne sont pas désordonnés, même à l’échelle de 100 nm. Ils sont anisotropes, c’est-à-dire qu’ils ne sont pas identiques lorsqu’ils sont observés dans des directions différentes. Ces différences peuvent s’étendre sur plus de 100 nm, soit des milliers de couches d’atomes».
Un nouvel état potentiel des verres
Peihao Sun d’ajouter: «L’observation directe d’une anisotropie à longue portée dans un verre métallique va à l’encontre de notre conception habituelle des verres en tant que systèmes complètement désordonnés. En fait, l’anisotropie de notre échantillon a disparu après avoir été chauffé à nouveau et laissé refroidir lentement. Le verre d’origine semble donc avoir été dans un état différent, voire neuf. Il est donc probable qu’il aura également des propriétés physiques différentes, qui restent à étudier. Les propriétés de ce verre anisotrope continuent de nous surprendre», conclut Peihao Sun. Les résultats de GlassX et les études complémentaires des chercheurs devraient permettre d’exploiter les promesses technologiques des nouveaux verres dans des applications existantes améliorées et dans de nouvelles applications innovantes.
Mots‑clés
GlassX, verres, verre, anisotropie, anisotrope, transition vitreuse, verres métalliques, nanodiffraction des rayons X, Source extrêmement brillante, synchrotron
