Le verre est un matériau apparemment simple, transparent et dur, mais qui est en réalité très complexe et intrigant. Le processus par lequel le verre passe de l'état liquide au verre est connu sous le nom de « transition vitreuse » et se caractérise par un ralentissement significatif de la dynamique du verre, ce qui lui confère ses propriétés distinctives.Cette transition suscite la curiosité scientifique depuis des années. Un point particulièrement intéressant de ce processus est l’émergence d’une « hétérogénéité dynamique ». À mesure qu’un liquide refroidit et s’approche de sa température de transition vitreuse, sa dynamique devient plus cohérente et discontinue.

Carte de relaxation spatiale du modèle liquide bidimensionnel. Les zones claires représentent les endroits où les particules se sont déplacées de manière significative sur un certain intervalle de temps, tandis que les zones sombres montrent peu de mouvement. Cette image révèle la nature fractale du processus de relaxation, affecté à la fois par les fluctuations thermiques et les interactions élastiques. Source de l'image : Tahaei et al., 2023, « Physical Reviews X » (DOI : 10.1103/PhysRevX.13.031034)

Dans une nouvelle étude, les chercheurs proposent un nouveau cadre théorique pour expliquer ces hétérogénéités dynamiques dans les liquides vitreux. Selon ce point de vue, la relaxation dans ces liquides se produit par le biais de réarrangements locaux, qui à leur tour s'influencent mutuellement par le biais d'interactions élastiques. La relaxation est un terme en physique qui fait référence au processus de retour progressif d'un certain état à un état d'équilibre au cours d'un certain processus physique graduel. En étudiant l'interaction entre les réarrangements locaux, les interactions élastiques et les fluctuations thermiques, les chercheurs ont développé une théorie complète de la dynamique collective de ces systèmes complexes.

La recherche a été réalisée par le professeur Matthieu Wyart de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne en collaboration avec des collègues de l'Institut Max Planck de Dresde, de l'Académie nationale des sciences, de l'Université Grenoble Alpes et du Centre de biologie des systèmes de Dresde. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Physical Review X.

L'équipe de recherche a proposé une « théorie de mise à l'échelle » pour expliquer l'augmentation observée de la longueur de corrélation dynamique dans les liquides vitreux. Cette longueur de corrélation est liée à « l’effondrement thermique », un événement rare induit par des fluctuations thermiques qui déclenche ensuite une explosion cinétique plus rapide.

Le cadre théorique de l'étude fournit également un aperçu de la décomposition de Stoke-Einstein, un phénomène dans lequel la viscosité du liquide découple la diffusion des particules.

Pour vérifier leurs prédictions théoriques, les chercheurs ont mené des simulations numériques approfondies dans diverses conditions. Ces simulations ont confirmé l'exactitude de leur théorie de mise à l'échelle et sa capacité à décrire la dynamique observée des liquides vitreux.

Cette recherche approfondit non seulement notre compréhension de la dynamique du verre, mais suggère également une nouvelle façon d’aborder les propriétés d’un certain nombre d’autres systèmes complexes, notamment l’activité cérébrale ou le glissement entre des objets en friction.

"Nos travaux relient la croissance des longueurs de corrélation dynamiques dans les liquides à la relaxation de type effondrement, bien étudiée dans les aimants désordonnés, les matériaux granulaires et les tremblements de terre", explique Matthieu Wyart. "Cette approche crée donc des ponts inattendus entre d'autres domaines. Notre description de la façon dont l'effondrement est affecté par des fluctuations extrinsèques, y compris les fluctuations thermiques, peut donc avoir des implications plus larges."