Les rayons X révèlent comment les verres perdent leur stabilité
L'expérience PETRA III montre comment les atomes du verre se comportent lorsque des faiblesses apparaissent
Le verre est-il solide ou liquide ? Une idée reçue veut que le verre ancien, souvent plus épais en bas qu'en haut (comme les vitraux des cathédrales), s'écoule vers le bas avec le temps parce qu'il s'agit en fait d'un liquide extrêmement visqueux. Dans une certaine mesure, c'est vrai, le verre s'écoule extrêmement lentement, mais c'est un état intermédiaire entre le solide et le liquide. Des chercheurs italiens et belges se sont associés aux scientifiques de DESY à PETRA III pour découvrir les secrets de la stabilité du verre. Pour ce faire, ils ont étudié le mouvement des atomes dans le verre lorsqu'ils y introduisent des déformations. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review X.
Les verres sont des substances intéressantes : ils sont souvent transparents et semblent être des solides, mais il leur manque une propriété majeure des solides. Cette propriété est la cristallisation, c'est-à-dire la construction de structures ordonnées répétitives d'atomes qui sont classiques dans les matériaux solides. Les verres sont au contraire désordonnés : leurs atomes ne conservent pas de structure régulière, ce qui s'apparente à un état liquide, mais ils sont suffisamment stables pour présenter les qualités d'un solide. Ces différences à l'échelle atomique permettent de faire apparaître des caractéristiques très différentes de celles des solides du même matériau. Dans le cas du verre de silice, le verre que nous utilisons le plus couramment dans la vie quotidienne, il présente les mêmes propriétés mécaniques et optiques dans toutes les directions et a un poids relativement faible par rapport à son volume. En outre, dans des études récentes réalisées à DESY, la même équipe italo-belge a constaté que les atomes du verre peuvent subir ce que l'on appelle une "accélération stochastique", c'est-à-dire qu'ils peuvent sauter d'une zone du matériau à une autre lorsqu'ils sont exposés à des rayons X.
Dans l'étude actuelle, l'équipe a évalué comment ce mouvement se produisait en relation avec des changements dans la stabilité du verre. En effet, lorsque les verres sont légèrement étirés, la position de la plupart des atomes change d'une manière similaire à celle des solides, et les atomes se remettent en place lorsque la déformation prend fin. Cependant, même pour l'étirement le plus faible possible, certains atomes ne se remettent pas en place à la fin de la déformation, ce qui signifie que le comportement du verre est toujours quelque peu "plastique". La tendance des verres à se comporter de manière plastique devient de plus en plus évidente lorsque l'étirement est plus important, mais aussi lorsque le verre est soumis à des rayons X, car ces deux actions tendent à affaiblir le verre. Cependant, la manière dont ces faiblesses se manifestent est encore discutée. L'équipe a voulu examiner comment cette plasticité se produit et quel est le lien entre ce scénario et les accélérations atomiques qu'elle avait précédemment observées. "En utilisant les rayons X produits par la ligne de faisceau P10 de PETRA III, nous avons examiné des verres similaires à ceux utilisés dans les fenêtres. Comme les rayons X induisent des faiblesses dans le verre similaires aux changements physiques qui rendent les verres plus plastiques, nous avons pu suivre les changements atomiques dans le verre in situ", explique Michael Sprung.
Leur principale conclusion : les accélérations stochastiques observées précédemment se produisent et déplacent d'autres atomes proches en cours de route, jusqu'au point de rupture. Ces changements sont à l'origine des faiblesses classiques qui font céder les verres.
"Un exemple serait une pierre jetée dans un étang : le point d'impact est clairement le centre de perturbation (dans notre cas, le point où les rayons X sont absorbés), mais les ondes se propagent dans tout l'étang, l'effet étant d'autant plus faible que la distance par rapport au point d'impact est grande", explique Alessandro Martinelli, le premier auteur de l'étude. "Il en va de même pour notre verre, où l'effet de ces défauts se fait sentir dans l'ensemble du matériau".
Lorsque le verre est exposé aux rayons X, il subit plusieurs changements. Tout d'abord, ses atomes sautent d'avant en arrière comme des ressorts, ce qui signifie que le verre se comporte de manière élastique et plus comme un solide. Mais au fur et à mesure que ces mouvements s'amplifient, les atomes commencent à se déplacer sur de plus grandes distances, puis ils commencent à se déplacer sans revenir à leur emplacement initial, déplaçant d'autres atomes en cours de route. C'est le point de transition entre le verre solide et le verre à haute plasticité. C'est la première fois que ce processus est observé à l'échelle atomique.
"L'étude du point de rupture du verre d'oxyde est très difficile à réaliser expérimentalement, car le verre se brise généralement à ce moment-là", explique Giulio Monaco, professeur de physique à l'université de Padoue, qui a dirigé l'étude. "L'utilisation des rayons X permet toutefois de contourner ce problème et d'étudier avec une résolution atomique ce qui ne peut être fait avec les techniques de laboratoire classiques, par exemple la traction. Cette étude est le premier cas d'atteinte du point de rupture par irradiation aux rayons X, où l'on observe la transition d'un solide élastique à un solide plastique".
Les résultats de cette étude pourraient ouvrir la voie à des modifications plus contrôlées des propriétés des verres, avec toute une série d'applications industrielles potentielles. Des scientifiques de l'université de Padoue, de l'université de Trente, de l'université de Bruxelles et de DESY ont participé à cette recherche.
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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