Réinventer le verre : une percée dans la stabilité atomique

Glass Sheets

Une nouvelle recherche a révélé l’importance des structures annulaires atomiques dans le verre, révélant comment leur stabilité influence les performances et les températures de transition du verre. Cette avancée dans la compréhension de la dynamique moléculaire du verre aide à concevoir de meilleurs produits en verre pour des applications haute performance.

Le verre est de plus en plus utilisé dans divers domaines à haute performance, couvrant les applications industrielles et grand public, les produits électroniques militaires et aérospatiaux, ainsi que les revêtements et l’optique. Étant donné la précision stricte requise pour des produits tels que les téléphones portables et les avions à réaction, il est crucial que les substrats en verre restent inchangés en forme tout au long du processus de fabrication.

Corning Incorporated, un fabricant de verre, de céramique et de matériaux connexes innovants, investit énormément de ressources dans l’étude de la stabilité de différents types de verre. Récemment, les chercheurs de Corning ont découvert que la compréhension de la stabilité des anneaux d’atomes dans les matériaux en verre peut les aider à prédire les performances des produits en verre. Cette capacité est importante car le verre le plus largement utilisé est le verre de silicate, qui se compose de différentes tailles d’anneaux atomiques connectés en trois dimensions.

Expériences de diffusion de neutrons

En menant des expériences de diffusion de neutrons au Laboratoire national d’Oak Ridge du Département de l’énergie, des scientifiques de l’ORNL et de Corning ont découvert que plus le nombre d’anneaux atomiques de plus petite taille et moins stables dans un verre augmente, plus l’instabilité ou la fragilité du liquide du verre augmente également. Les résultats des expériences de neutrons, publiés dans Nature Communications, révèlent une corrélation claire entre la structure annulaire atomique de taille moyenne d’un verre de silicate et sa fragilité liquide. La viscosité du verre liquide change considérablement lorsqu’il est refroidi à la température de transition du verre. Un liquide plus fragile aura une plus grande variation de viscosité avec un changement de température donné.

Atomic Rings Affect Glass Fragility

Des scientifiques du Laboratoire national d’Oak Ridge et de Corning ont découvert que plus le nombre d’anneaux atomiques de plus petite taille et moins stables dans un verre augmente, plus l’instabilité ou la fragilité du liquide du verre augmente également. Crédit : Titanas d’Athènes, Grèce

« Auparavant, le mécanisme déclenchant les transitions vitreuses échappait aux scientifiques », a déclaré Ying Shi, l’auteur correspondant de l’article de l’étude et chercheur associé chez Corning. « Il n’était pas clairement compris pourquoi certains types de verre se solidifiaient plus rapidement ou plus lentement. »

Shi et ses collaborateurs de Corning, de l’Université de Californie à Los Angeles et de l’Université d’Oxford ont travaillé avec les scientifiques de la ligne de faisceau diffractomètre à neutrons NOMAD au Spallation Neutron Source de l’ORNL pour étudier le verre d’aluminosilicate, couramment utilisé par l’industrie.

Développement de RingFSDP

À l’aide d’un outil d’analyse de données de diffusion de neutrons récemment développé et validé, RingFSDP, l’équipe a identifié des motifs clés dans les données collectées qui ont révélé la relation entre la fragilité du liquide dans le verre et la stabilité annulaire atomique de celui-ci.

RingFSDP est un programme gratuit en open source développé par les scientifiques de Corning et de l’ORNL pour étudier les structures annulaires atomiques du verre de silicate. Il dérive des distributions de taille d’anneaux dans le verre de silicate à partir de la forme du premier pic de diffraction nette dans les données de diffraction de neutrons.

« Relier la plage de température de transition du verre aux caractéristiques structurales sous-jacentes d’un verre aura un impact significatif sur la conception et la production de verre », a déclaré Douglas Allan, co-auteur de l’article et chercheur à Corning. « Notre travail montre une corrélation claire entre la structure annulaire atomique d’un verre et sa plage de température de transition du verre et donc les caractéristiques de performance du verre. »

Référence : « Révéler la relation entre la fragilité liquide et l’ordre de taille moyenne dans les verres de silicate » par Ying Shi, Binghui Deng, Ozgur Gulbiten, Mathieu Bauchy, Qi Zhou, Jörg Neuefeind, Stephen R. Elliott, Nicholas J. Smith et Douglas C. Allan, 3 janvier 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-35711-6

L’étude a inclus des chercheurs de la division Science et Technologie de Corning, du Laboratoire de Physique des Solides Amorphes et Inorganiques du Département de Génie Civil et Environnemental de l’Université de Californie à Los Angeles, de la Division de Diffusion de Neutrons au SNS de l’ORNL et du Laboratoire de Chimie Physique et Théorique de l’Université d’Oxford.