Grâce à une technique appelée microscopie confocale, une équipe de scientifiques allemands et néerlandais a découvert que des suspensions de colloïdes ellipsoïdaux forment un état de la matière inattendu, un verre liquide, dans lequel les particules individuelles peuvent se déplacer mais ne peuvent pas tourner.
Image au microscope électronique à balayage des colloïdes ellipsoïdaux. L’encart montre une image de microscopie confocale, mettant en évidence la structure cœur-coquille. Barre d’échelle – 5 μm. Crédit image : Roller et al, doi : 10.1073/pnas.2018072118.
“Les suspensions de particules colloïdales sont largement répandues dans la nature et la technologie et ont été étudiées intensément pendant plus d’un siècle”, ont déclaré le coauteur principal, le professeur Andreas Zumbusch, du département de chimie de l’Université de Constance, et ses collègues.
“Lorsque la densité de ces suspensions est augmentée à des fractions volumiques élevées, souvent leur dynamique structurelle est arrêtée dans un état désordonné et vitreux avant qu’elles ne puissent former une structure ordonnée.”
“Jusqu’à présent, la plupart des expériences ont été réalisées avec des colloïdes sphériques. Cependant, l’intérêt récent pour les colloïdes synthétiques en tant que blocs de construction de matériaux a conduit au développement d’une multitude de nouvelles techniques pour la synthèse de particules colloïdales avec des géométries et des interactions spécifiques.”
Dans leurs expériences, le professeur Zumbusch et ses co-auteurs se sont concentrés sur des colloïdes ellipsoïdaux de polyméthacrylate de méthyle.
“En raison de leurs formes distinctes, nos particules ont une orientation, contrairement aux particules sphériques, ce qui donne lieu à des types de comportements complexes entièrement nouveaux et non étudiés auparavant”, a expliqué le professeur Zumbusch.
À l’aide d’un microscope confocal à balayage laser, les chercheurs ont enregistré le développement temporel des positions et orientations 3D de plus de 6 000 particules ellipsoïdales.
“À certaines densités de particules, le mouvement d’orientation se fige alors que le mouvement de translation persiste, ce qui donne lieu à des états vitreux où les particules se regroupent pour former des structures locales avec une orientation similaire”, a déclaré le professeur Zumbusch.
“Ce que nous avons appelé le verre liquide est le résultat de ces amas qui s’obstruent mutuellement et médient des corrélations spatiales caractéristiques à longue portée.”
“Celles-ci empêchent la formation d’un cristal liquide qui serait l’état de la matière globalement ordonné attendu par la thermodynamique.”
Reconstruction 3D rendue par ordinateur d’un sous-ensemble d’un volume d’échantillon avec la valeur rouge-vert-bleu de la couleur indiquant les orientations des particules. Barre d’échelle – 20 μm. Crédit d’image : Roller et al, doi : 10.1073/pnas.2018072118.
L’équipe a observé deux transitions vitreuses – une transformation de phase régulière et une transformation de phase hors équilibre – interagissant l’une avec l’autre.
“C’est incroyablement intéressant d’un point de vue théorique”, a déclaré le coauteur principal, le professeur Matthias Fuchs, chercheur au département de physique de l’Université de Constance.
“Nos expériences fournissent le type de preuve de l’interaction entre les fluctuations critiques et l’arrêt vitreux que la communauté scientifique recherche depuis un certain temps.”
“La prédiction du verre liquide était restée une conjecture théorique pendant vingt ans.”
“Les résultats suggèrent en outre que des dynamiques similaires peuvent être à l’œuvre dans d’autres systèmes de formation de verre et peuvent ainsi contribuer à éclairer le comportement de systèmes et de molécules complexes allant du très petit (biologique) au très grand (cosmologique).”
“Elle a également un impact potentiel sur le développement de dispositifs à cristaux liquides.”
La découverte est rapportée dans un article publié dans le Proceedings of the National Academy of Sciences.
