Verres à fondre : Le verre

Article du 24 mars 2023

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Le processus de transition liquide-verre est une procédure complexe en science, tout comme la transition verre-liquide connue sous le nom de fusion du verre. Dans un nouveau rapport publié dans Science Advances, Qi Zhang et une équipe de recherche en physique de l'Université des sciences et technologies de Hong Kong en Chine ont assemblé des verres colloïdaux par dépôt en phase vapeur et les ont fait fondre pour observer la dynamique de la transition vitreuse.

Les paramètres structurels et dynamiques saturent à différentes profondeurs pour définir une couche liquide superficielle et une couche intermédiaire vitreuse. Les scientifiques ont observé la cinétique de particules uniques présentant diverses caractéristiques pour confirmer les prédictions théoriques de fusion de la couche superficielle du verre.

Le processus de fusion du verre n’est pas, comme on le suppose, un processus inverse de la transition vitreuse du liquide au verre. Le mécanisme de fusion du verre en est à un stade préliminaire de développement, contrairement au mécanisme intensivement étudié des transitions de formation du verre. Les verres ultrastables ont montré une fusion de surface hétérogène dans un mécanisme de pré-fusion de surface pour empêcher la fusion de l'intérieur.

Les scientifiques des polymères ont étudié les verres ultrastables atomiques et moléculaires et ont décrit les colloïdes comme des systèmes modèles exceptionnels pour étudier le comportement de fusion du verre dû aux particules à l'échelle micrométrique et aux mouvements thermiques pouvant être observés par microscopie optique. Les colloïdes fournissent des informations microscopiques importantes sur les verres en vrac, notamment des informations sur la fusion du verre en vrac induite par le cisaillement.

Les chercheurs n’ont pas encore exploré la fusion massive ou superficielle induite thermiquement au niveau d’une seule particule, car elle nécessite des colloïdes dotés d’une attraction réglable. Dans ce travail, Zhang et ses collègues ont utilisé des colloïdes attrayants pour mesurer la cinétique microscopique dans diverses plages de température, pour examiner les changements de température lents et rapides pour des échantillons monocouches et multicouches et pour comprendre leurs trajectoires de pré-fusion et de fusion.

Au cours des expériences, Zhang et l’équipe ont incorporé un mélange 50 : 50 de sphères de polymère pour surmonter la cristallisation et ont ajouté un colorant pour induire une attraction entre les sphères de polyméthacrylate de méthyle. Ils ont pompé le colorant vers la région non chauffée via thermophorèse pour diminuer la force d’attraction, tout en augmentant linéairement la température effective.

Les résultats ont donné des colloïdes monocouches et multicouches. L’équipe a assemblé les verres colloïdaux par dépôt en phase vapeur pour former des verres moléculaires ultrastables. Ils ont noté les particules par microscopie optique et suivi les mouvements browniens des particules grâce à l'analyse d'images.

Les scientifiques ont noté des transitions complètes de fusion globale à 25,3 degrés Celsius. Au cours du processus de préfusion des cristaux, les chercheurs avaient prédit en théorie la croissance selon la loi de puissance de l'épaisseur du liquide de surface et observé les résultats expérimentalement et avec des simulations. L'équipe a quantifié la relation entre la structure locale et la dynamique, où la région de faible densité près de la surface présentait un comportement de transition de couplage de modes du verre fragile, tandis que la région de haute densité proche de la masse présentait le comportement d'Arrhenius du verre fort.

Ce croisement fragile à fort avec une température décroissante a également été observé dans l'eau, les verres métalliques et les verres organiques/inorganiques. La présente recherche se concentre sur la corrélation dynamique structurelle du verre en vrac et du liquide surfondu fournissant une connexion près de la surface.