Plastiques : leur température de transition liquide-solide enfin déterminée

Les matériaux amorphes comme le plastique et le verre continuent d’intriguer la science. Une nouvelle étude apporte un éclairage inédit sur leur transition de l’état liquide à l’état solide lors du refroidissement.

Contrairement à de nombreux matériaux qui se cristallisent en refroidissant, les atomes et molécules des matériaux amorphes comme le plastique et le verre ne s’empilent jamais pour former des cristaux. Bien que considérés comme des solides, ils restent en fait dans un état de liquide surfondu qui s’écoule extrêmement lentement. Leur rigidification à l’échelle microscopique lors du refroidissement a longtemps échappé aux scientifiques.

Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory ont désormais découvert un comportement moléculaire dans les liquides surfondus représentant une transition de phase cachée entre l’état liquide et l’état solide.

Leur meilleure compréhension s’applique aux matériaux ordinaires comme les plastiques et le verre. Elle pourrait aider à développer de nouveaux matériaux amorphes pour les dispositifs médicaux, la vectorisation de médicaments et la fabrication additive.

Théorie inédite de la transition de phase

Les scientifiques ont expliqué, grâce à la théorie, des simulations et des expériences antérieures, pourquoi les molécules de ces matériaux, en refroidissant, restent désordonnées comme un liquide jusqu’à un brusque changement vers un état solide à une certaine température appelée température de début.

À ce moment précis, ils deviennent si visqueux qu’ils bougent à peine. Cette apparition de rigidité – une transition de phase jusqu’alors inconnue – est ce qui distingue les liquides surfondus des liquides normaux.

« Notre théorie prédit la température d’apparition mesurée dans des systèmes modèles et explique pourquoi le comportement des liquides surfondus autour de cette température rappelle celui des solides, même si leur structure est la même que celle du liquide » a déclaré Kranthi Mandadapu, scientifique au Berkeley Lab.

Vers une vision microscopique complète

Les chercheurs pensent pouvoir étendre leur modèle aux systèmes 3D. Ils comptent aussi expliquer comment les mouvements localisés entraînent d’autres excitations conduisant à la relaxation de tout le liquide. L’ensemble pourrait fournir une image microscopique cohérente de l’émergence de la dynamique vitreuse.

« Il est fascinant, du point de vue des sciences fondamentales, d’examiner pourquoi ces liquides surfondus présentent une dynamique remarquablement différente de celle des liquides ordinaires que nous connaissons« , a conclu M. Mandadapu.

En synthèse

Cette nouvelle étude apporte un éclairage important sur le fonctionnement à l’échelle microscopique des matériaux amorphes comme le plastique et le verre. Elle propose une explication inédite de leur transition de phase cachée lors du passage de l’état liquide à l’état solide par refroidissement. Ce progrès pourrait faciliter le développement de nouveaux matériaux amorphes innovants.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un matériau amorphe ?

Un matériau amorphe comme le plastique ou le verre ne forme pas de cristaux contrairement à de nombreux matériaux. Ses atomes et molécules restent désordonnés.

Qu’est-ce qu’une transition de phase ?

Une transition de phase est le passage d’un état de la matière à un autre, par exemple du liquide au solide.

Qu’est-ce qu’un liquide surfondu ?

Un liquide surfondu est un liquide qui ne se solidifie pas malgré le refroidissement en-dessous de son point de fusion.

Quelle découverte a été faite ?

Une transition de phase cachée a été découverte dans les liquides surfondus au moment où ils deviennent rigides.

Quelle est son utilité ?

Cette découverte pourrait faciliter le développement de nouveaux matériaux amorphes innovants.

Article adapté selon le contenu de l’auteure : Rachel Berkowitz

Cette recherche a été financée par l’Office of Science du ministère de l’énergie.

Légende illustration principale : (Gauche) Au-dessus d’une température d’apparition, un matériau 2D présente un comportement liquide normal, toutes les particules étant mobiles de la même manière (jaune). (Droite) En dessous de cette température, il devient surfondu, avec l’apparition d’une rigidité conduisant à la présence de quelques particules mobiles (jaune) parmi des régions « gelées » de type solide (bleu). Kranthi Mandadapu