Une étude collaborative avec l’EPFL construit une nouvelle théorie pour expliquer les comportements collectifs des liquides vitreux à basse température. Ce phénomène a des implications dans des domaines tels que la science des matériaux et la biologie.
Le verre, malgré sa transparence et sa rigidité apparentes, est un matériau complexe et intrigant. Lorsqu’un liquide est refroidi pour former un verre, sa dynamique ralentit considérablement, ce qui lui confère des propriétés uniques.
Ce processus, appelé « transition vitreuse », déconcerte les scientifiques depuis des décennies. Mais l’un de ses aspects intrigants est l’émergence d’« hétérogénéités dynamiques », où la dynamique devient de plus en plus corrélée et intermittente à mesure que le liquide refroidit et s’approche de la température de transition vitreuse.
Dans une récente étude, des chercheuses et chercheurs proposent un nouveau cadre théorique pour expliquer ces hétérogénéités dynamiques dans les liquides vitreux. L’idée est que la relaxation dans ces liquides s’effectue par le biais de réarrangements locaux qui s’influencent mutuellement via des interactions élastiques. En étudiant l’interaction entre les réarrangements locaux, les interactions élastiques et les fluctuations thermiques, les chercheuses et chercheurs ont formulé une théorie globale de la dynamique collective de ces systèmes complexes.
Cette étude collaborative a été menée par le professeur Matthieu Wyart de l’EPFL et ses collègues de l’Institut Max Planck de Dresde, de l’ENS, de l’Université Grenoble Alpes et du Centre de biologie des systèmes de Dresde. Elle est aujourd’hui publiée dans la revue Physical Review X.
L’équipe a développé une « théorie d’échelle » qui explique avec succès la croissance de la longueur de corrélation dynamique observée dans les liquides vitreux. Cette longueur de corrélation est liée aux « avalanches thermiques ». Il s’agit d’événements rares induits par des fluctuations thermiques, qui déclenchent ensuite une nouvelle dynamique plus rapide.
Le cadre théorique de l’étude permet également de mieux comprendre la rupture de la relation Stokes-Einstein, un phénomène dans lequel la viscosité du liquide est dissociée de la diffusion de ses particules.
Pour valider leurs prédictions théoriques, les chercheuses et chercheurs ont réalisé des simulations numériques approfondies dans diverses conditions. Ces simulations ont confirmé la précision de leur théorie d’échelle et sa capacité à décrire la dynamique observée dans les liquides vitreux.
Cette étude permet non seulement de mieux comprendre la dynamique du verre, mais suggère aussi une nouvelle approche pour aborder la dynamique intermittente de certains systèmes complexes. Une telle intermittence apparait dans de nombreux phénomène, de l’activité cérébrale à la friction entre des objets solides.
« Notre travail consiste à relier la croissance de la longueur de corrélation dynamique dans les liquides aux relaxations de type avalanche, bien étudiées notamment dans le cadre des aimants désordonnés, des matériaux granulaires et des tremblements de terre », déclare Matthieu Wyart. « Cette approche permet ainsi de créer des liens inattendus entre d’autres domaines. Notre description de la façon dont les avalanches sont influencées par des fluctuations exogènes, y compris des fluctuations thermiques, peut donc être d’un intérêt plus général. »
Références
Ali Tahaei, Giulio Biroli, Misaki Ozawa, Marko Popovic, Matthieu Wyart. Scaling description of dynamical heterogeneity and avalanches of relaxation in glass-forming liquids. Physical Review X, 21 September 2023. DOI: 10.1103/PhysRevX.13.031034
