Les atomes d'un verre sautent comme des particules cosmiques
Une expérience aux rayons X montre une nouvelle voie possible pour adapter les propriétés des verres : "L'histoire semble devenir de plus en plus intéressante".
Pendant des milliers d'années, les gens du monde entier ont expérimenté différentes façons de fabriquer des verres aux propriétés variées en les chauffant jusqu'à ce qu'ils fondent puis en les refroidissant à nouveau. Une équipe dirigée par des scientifiques de l'université de Padoue, en Italie, a utilisé la source de lumière à rayons X PETRA III de DESY pour étudier un concept complètement différent : l'utilisation des rayons X pour modifier le verre sans le chauffer. Les résultats montrent que les atomes du verre se déplacent de manière plus similaire aux particules chargées qui accélèrent dans l'espace interstellaire plutôt que le mouvement attendu dans le verre fondu. Cette étude pourrait permettre de mieux comprendre les matériaux irradiés, voire de créer de nouveaux matériaux en verre présentant de nouvelles caractéristiques physiques, comme le rapporte l'équipe de recherche dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Le recuit ordinaire du verre utilise la chaleur pour le faire fondre et ensuite une variation du refroidissement pour mettre en place des propriétés spécifiques. L'expérience utilisant les rayons X montre que des propriétés complètement différentes pourraient être obtenues par un recuit non thermique.
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Le verre est un état étrange de la matière : Bien qu'il ressemble à un solide, il ne possède pas la structure atomique cristalline typique de la plupart des autres solides. De plus, les atomes restent figés dans leur position ; ils ne diffusent pas dans la matière comme dans un liquide. Les verres peuvent avoir une variété de propriétés physiques. Le processus de modification des propriétés des verres, appelé recuit, implique un chauffage répété du verre jusqu'à ce qu'il se comporte davantage comme un liquide, puis un refroidissement à différentes vitesses. Ce procédé est particulièrement connu des souffleurs de verre : Ils plongent une ampoule de verre dans un feu, modifient sa forme pendant qu'elle est en fusion en utilisant leur souffle, et la trempent dans l'eau froide lorsqu'ils ont terminé. En fonction de la durée et de la température du chauffage et du refroidissement, il est possible de fabriquer de nombreux types de verres différents : des verres super résistants, d'autres qui se brisent sur des bords émoussés, d'autres encore qui peuvent résister à des températures élevées, et une myriade d'autres possibilités.
Les chercheurs ont trouvé un moyen d'obtenir un effet similaire au recuit traditionnel du verre en utilisant des rayons X. En exposant de fines tranches de silice (SiO2) aux rayons X générés par la source lumineuse PETRA III de DESY et en examinant les changements subis par le matériau, l'équipe a pu surveiller le mouvement atomique au sein de l'échantillon. Les résultats diffèrent de ce qui se passe lorsque le verre est simplement chauffé et fondu : au lieu que les atomes circulent les uns autour des autres à un rythme toujours plus rapide, dans l'échantillon irradié, certains atomes ont eu tendance à faire des bonds géants comparables dans le matériau. Le processus d'irradiation s'est produit sans que le verre ne change de température.
Giulio Monaco, professeur à l'université de Padoue qui a dirigé les recherches, décrit la différence de mouvement atomique : "Avec le recuit traditionnel du verre, c'est comme si l'atome dans le verre était un touriste dans un endroit, qui se promène et voit les curiosités. Avec les rayons X sur le verre, le touriste - notre atome - prend un avion et se rend dans une toute autre ville et recommence à voir les curiosités."
"Cet effet peut être utilisé comme un outil de sondage pour obtenir des connaissances plus approfondies sur la façon dont les atomes dans les verres se déplacent", explique Michael Sprung, scientifique de DESY, responsable de la ligne de faisceau en charge de la station d'expérimentation P10 à PETRA III où la recherche a eu lieu et coauteur de l'article. "Notre équipe a réalisé que les rayons X provoquaient des différences mesurables entre la dynamique observée et celle attendue. On comprend maintenant mieux l'effet lui-même."
Francesco Dallari, premier auteur de l'étude, explique que les sauts sont causés par les rayons X qui brisent les liens entre le silicium et l'oxygène dans le verre de silice. Les électrons des atomes sont excités par les rayons X et les atomes se repoussent ensuite avec une grande force dans la forme non structurée du verre, un phénomène littéralement hors du commun. Le même effet, appelé accélération atomique stochastique, est observé dans l'accélération des particules cosmiques dans les corps interstellaires comme les trous noirs, mais sur une échelle d'énergie et de distance tout à fait massive par rapport aux atomes du verre.
La compréhension de l'effet des rayons X sur le verre pourrait ouvrir la voie à la découverte de nombreuses propriétés nouvelles et jusqu'ici inconnues des verres. "Cette recherche montre qu'il est possible d'adapter les propriétés des verres à l'aide de rayonnements plutôt que de chaleur", explique M. Dallari, qui était postdoc à DESY au moment de l'expérience et qui fait maintenant partie du groupe de Monaco à Padoue. "Selon l'application, les verres doivent être refroidis ou trempés rapidement. L'utilisation des rayons X serait comme une trempe super rapide". Les types de propriétés que cela permettrait d'obtenir dans différentes situations feront l'objet de recherches futures. Dans l'exemple utilisé dans cette expérience, le verre est devenu plus cassant, mais d'autres changements dans la composition du verre, l'énergie des rayons X et le temps d'exposition pourraient produire des effets complètement différents.
"Ce résultat pourrait influencer la façon dont on interprète la fatigue des matériaux irradiés, par exemple", explique M. Sprung. Cela pourrait également avoir un effet important sur un large éventail de cas d'utilisation, par exemple dans les équipements médicaux ou dans les installations de recherche.
L'équipe de Monaco bénéficie d'une subvention du Conseil européen de la recherche pour étudier ce phénomène et poursuivra ses travaux à DESY.
"Il ne s'agit là que du premier exemple", déclare M. Monaco. "L'histoire semble devenir de plus en plus intéressante".
Des scientifiques des universités de Padoue, Trente et Amsterdam ainsi que du DESY ont participé à ces travaux.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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