Transition vitreuse : le verre, cet inconnu qui ne va pas encore le rester longtemps

Par Gaëlle Degrez / Publié le 14 juin 2016

Une collaboration internationale à laquelle participe un chercheur du Laboratoire de Physique Théorique et Modèles Statistiques (UPSud/CNRS) a reçu une dotation de 10 millions de dollars de la Fondation américaine Simons (i). Ce financement doit leur permettre de résoudre l'un des problèmes les plus passionnants en physique de la matière : celui de la transition vitreuse.


Visualisation de la transformation d'un verre (en bleu) en liquide (en rouge) après une remontée soudaine de la température. © G. M. Hocky, L. Berthier, and D. R. Reichman Equilibrium ultrastable glasses produced by random pinning J. Chem. Phys. 141, 224503 2014

Quoi de plus banal que le verre, un matériau dont sont composés bon nombres d'objets de notre quotidien. Et pourtant, si notre connaissance empirique de sa fabrication remonte aux Egyptiens, le passage de la matière d’un état liquide à l’état de verre, cette phase baptisée transition vitreuse, constitue l’un des grands problèmes encore non résolus en physique de la matière condensée. 

Le verre, un liquide « visqueux » ?

Professeur à l’Université Paris-Sud, Silvio Franz effectue ses recherches au Laboratoire de Physique Statistique et Modèles Statistiques –LPTMS (UPSud/CNRS). Depuis une vingtaine d’années, il fait partie d’une collaboration internationale qui s’intéresse à la physique statistique des systèmes désordonnés et vitreux. « Le problème de la transition vitreuse comporte plusieurs aspects. Le premier concerne la transition elle-même » explique Silvio Franz qui décrit ainsi le processus en question : « lorsque l’on refroidit lentement un liquide, il va pouvoir rester à l’état liquide même en dessous de sa température de solidification, devenant ce qu’on appelle un liquide surfondu. Si on continue à le refroidir suffisamment rapidement pour éviter sa cristallisation, le liquide se fige très rapidement dans un état macroscopiquement solide mais microscopiquement liquide, c’est-à-dire que contrairement aux autres solides, la position de ses atomes reste désordonnée. Un de nos objectifs est de décrire ce qui se passe lors de cette transition vitreuse qui pourrait expliquer pourquoi le verre, dont la structure interne est désordonnée comme celle d'un liquide, se comporte comme un solide ». Autrement dit, qu’est qui distingue le verre d'un simple liquide très visqueux ?

Peut-on expliquer les propriétés des verres à basse température ?

Autre particularité de cette phase, elle engendre des propriétés inédites comme l’explique Silvio Franz : « si on compare les verres à basse température au système solide et cristallin on trouve toute une série de comportements anormaux, en particulier au niveau de la chaleur spécifique, des propriétés du transport etc... Nous cherchons à comprendre l'origine de ces anomalies ». La dynamique vitreuse et notamment le vieillissement du verre est ainsi un des axes de travail du chercheur comme il s’en explique : « C’est un autre axe de recherche passionnant. Avec le temps, la dynamique d'un verre devient de plus en plus lente mais pour autant sans jamais s'arrêter. Le système essaye de s'approcher de l'équilibre mais il n'y parvient jamais même si l'approche devient de plus en plus lente».

10 millions de dollars pour « Craquer le problème »

On l’aura compris, la transition vitreuse aiguise la curiosité des scientifiques depuis trop longtemps. Il y a néanmoins des avancées fondamentales qui ont été faites comme par exemple la découverte du phénomène de jamming par une équipe américaine qui fait partie de la collaboration et sa description théoriquepar d’autres membres de la collaboration. Silvio Franz la décrit ainsi : « si l’on empile de façon désordonnée dans une boite un grand nombre de sphères, et qu’on augmente progressivement le nombre d’objets à taille de boite fixée, une densité maximale est atteinte. Si l’on comprime le système au-delà de ce point, les sphères commencent à se comprimer, c’est la transition de jamming. La transition vitreuse et la transition de jamming ont souvent été associées car l’intuition suggère que le piégeage de chaque particule par ses voisins est à l’origine des deux transitions».

Bref le groupe de 13 physiciens théoriciens impliqués dans la collaboration a décidé de passer à la vitesse supérieure en montant un projet au titre évocateur « Cracking the glass problem ». Soumis à un appel d’offres très compétitif, le projet a reçu en avril 2016 un financement prestigieux de la Fondation Simons (New York, Etats-Unis). Ce financement de 10 millions de dollars sur quatre ans permettra de construire une collaboration originale rassemblant différentes approches théoriques et numériques grâce notamment à l’embauche de post-doctorants. «  Nos travaux ont une portée assez large puisqu’ils concernent une multitude d'applications directement reliées à la physique de la transition vitreuse, depuis le développement d'algorithmes performants de correction d'erreur pour les télécommunications jusqu'à l'étude des mouvements collectifs dans les foules » conclu avec enthousiasme Silvio Franz.

Contact : Silvio Franz – Laboratoire de Physique Statistique et Modèles Statistiques –LPTMS (UPSud/CNRS) – silvio.franz @ u-psud.fr

Le site web de la collaboration Simons pour vaincre la problématique de l'état vitreux

Dernière modification le 14 juin 2016