Le verre est l’un des sujets les plus courants que nous voyons tous les jours, mais la structure détaillée de ce matériau non métallique et non liquide a toujours été un mystère majeur en science. Une équipe de recherche codirigée par des scientifiques de la City University of Hong Kong (CityU) a découvert avec succès que le verre métallique amorphe et cristallin ont les mêmes éléments structurels. Et c’est la connectivité entre ces blocs qui distingue les états cristallin et amorphe du matériau. Les résultats ont permis de mieux comprendre la structure du verre.
Le verre est un solide amorphe non cristallin qui a une utilisation pratique et technologique répandue dans la vie quotidienne. Outre le verre sodocalcique utilisé dans les fenêtres, il existe de nombreux autres types de verres comme le verre métallique. Le matériau en phase vitreuse est mystérieux et spécial : à l’extérieur, le matériau se comporte comme un solide, mais à l’intérieur, il apparaît aussi désordonné qu’un liquide. Sa structure a donc longtemps fait l’objet de recherches scientifiques.
Une équipe de recherche co-dirigée par le professeur Wang Xunli, professeur titulaire de physique et chef du département de physique à CityU, a découvert un lien structurel entre un solide de verre et son homologue cristallin, ce qui constitue une percée dans la compréhension de la structure détaillée des amorphes amorphes. Matériel. L’ouvrage a été publié en Matériaux naturels, intitulé “Un motif de structure à moyenne portée reliant l’état amorphe et cristallin.”
« La structure du verre a été un grand défi scientifique », a déclaré le professeur Wang.
Le Dr Lan Si (à droite) et Wu Zhenduo (au milieu), co-premiers auteurs de l’article, effectuent les derniers ajustements dans une expérience de diffraction des rayons X synchrotron à Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory. Crédit : Photo avec l’aimable autorisation du professeur Wang Xunli
Contrairement à un solide cristallin constitué d’un empilement périodique (ordre à longue distance) de blocs de construction fondamentaux appelés cellules unitaires, un matériau de verre n’a pas d’ordre à longue distance. Mais un matériau en verre a des structures ordonnées à courte portée (2-5 ) et à moyenne portée (5-20 Å), et même à des échelles de longueur plus longues. Cependant, en raison du manque de contraste résultant de la nature amorphe du matériau, il était difficile pour les scientifiques de déterminer expérimentalement la nature de l’ordre à moyenne portée. En conséquence, il est resté un mystère scientiste s’il existe un lien structurel à des échelles de longueur moyenne ou plus longue entre le matériau amorphe et ses homologues cristallins. Le problème est encore aggravé par le fait qu’un matériau amorphe se cristallise souvent en une phase de composition différente, avec des blocs de construction structurels sous-jacents très différents.
Pour surmonter ce défi, l’équipe a capturé une phase cristalline intermédiaire grâce à un contrôle précis du chauffage d’un verre métallique (un palladium-nickel-phosphore (Pd-Ni-P) alliage) à haute température.
(a) Les boules rouges sont des atomes de Pd et Ni, tandis que les boules bleues représentent des atomes de P. Le polyèdre orange représente le petit amas enrichi en Pd et le polyèdre bleu représente le petit amas enrichi en Ni. Seule une partie des petits groupes est affichée pour clarification. (b). Diagrammes schématiques montrant la construction du cluster 6M-TTP par le schéma de partage de bord. Crédit : Lan, S., Zhu, L., Wu, Z. et al. / Numéro DOI : 10.1038/s41563-021-01011-5
L’équipe a ensuite utilisé différentes techniques avancées d’analyse de structure, notamment la microscopie électronique à transmission à haute résolution, la diffraction des rayons X synchrotron de haute précision et l’analyse automatisée d’images informatiques. En comparant les structures du verre métallique (alliage) dans ses états cristallins amorphe et intermédiaire, l’équipe a découvert que les deux formes d’alliages partagent le même bloc de construction, qui est un “amas de prismes trigonaux à six chaînons (6M-TTP) ” composé d’atomes de palladium, de nickel et de phosphore. L’équipe a également conclu que c’était la connectivité entre les amas qui distinguait les états cristallin et amorphe.
« Notre étude expérimentale montre que les briques structurelles reliant les états amorphe et cristallin, comme l’amas de prismes trigonaux pour le verre métallique Pd-Ni-P, pourraient bien s’étendre à l’échelle de longueur moyenne, de l’ordre de la dizaine d’angströms ( Å), ce qui pourrait être une caractéristique universelle pour les matériaux amorphes. Cette découverte suggère fortement que la structure du verre se différencie de son homologue cristallin principalement par la connectivité des blocs de construction structurels », a déclaré le professeur Wang.
Le Dr Lan Si (à droite), le professeur Wang Xunli (deuxième à partir de la droite) et des étudiants examinent un échantillon de verre métallique Pd-Ni-P à l’aide de l’instrument à rayons X à petit angle de CityU. Crédit : Université de la ville de Hong Kong
Les chercheurs pensaient que la compréhension de la structure moléculaire du matériau amorphe était vitale pour la conception de nouveaux matériaux car la structure déterminait les propriétés. « Notre étude expérimentale a mis en lumière la structure des matériaux amorphes à des échelles de longueur étendues. Cela contribuera grandement à nos efforts pour comprendre la structure du verre », a ajouté le professeur Wang.
Référence : « Un motif de structure à moyenne portée reliant les états amorphe et cristallin » par Si Lan, Li Zhu, Zhenduo Wu, Lin Gu, Qinghua Zhang, Huihui Kong, Jizi Liu, Ruoyu Song, Sinan Liu, Gang Sha, Yingang Wang, Qi Liu, Wei Liu, Peiyi Wang, Chain-Tsuan Liu, Yang Ren et Xun-Li Wang, 20 mai 2021, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-021-01011-5
Des groupes de recherche de l’Université des sciences et technologies de Nanjing (NJUST), de CityU et du Laboratoire national d’Argonne ont codirigé l’étude. Les auteurs correspondants sont le professeur Lan Si de NJUST, le Dr Ren Yang, physicien principal du Laboratoire national d’Argonne et le professeur Wang.
Les co-premiers auteurs sont le professeur Lan, M. Zhu Li (doctorant de l’Université d’aéronautique et d’astronautique de Nanjing, NUAA), le Dr Wu Zhenduo du City University of Hong Kong Dongguan Research Institute et le professeur Gu Lin de l’Académie chinoise des sciences (CAS ). Parmi les autres collaborateurs figurent le professeur Liu Chain-tsuan, professeur émérite de l’université au Collège d’ingénierie et le Dr Liu Qi du département de physique de CityU.
Ce travail a été soutenu par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine, la Fondation des sciences naturelles de la province du Jiangsu, les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales, le Guangdong-Hong Kong-Macao Joint Laboratory for Neutron Scattering Science and Technology, la Fondation Croucher et le Research Grants Council de la RAS de Hong Kong.
