On the Role of Atomic Mobility in the Polyamorphism of Metallic Glasses

La matière se présente généralement sous deux formes familières : l'ordre rigide d'un cristal, où les atomes sont assis en rangées nettes et répétitives comme des soldats lors d'un défilé, et le désordre chaotique d'un liquide, où les atomes basculent librement. Mais il existe un troisième état, plus insaisissable, appelé le verre. Dans un verre, les atomes sont figés sur place comme un liquide qui aurait été surpris dans un moment de panique, incapable de s'organiser en un cristal. Pendant des décennies, les scientifiques ont cru qu'une fois qu'un matériau devenait un verre, sa structure interne était essentiellement verrouillée dans une configuration unique et statique. Cependant, un corpus croissant de preuves suggère que le verre n'est pas aussi simple qu'il en a l'air. Il peut exister sous différents états « amorphes », tout comme l'eau peut être de la glace ou du liquide, mais sans les frontières tranchées d'un cristal. Ce phénomène, appelé polyamorphisme, implique qu'une seule recette chimique peut produire des verres ayant des densités, des résistances et des arrangements internes différents. Comprendre comment un verre passe de l'un de ces états cachés à un autre est crucial, car cela révèle les règles fondamentales régissant la façon dont le désordre s'organise, une question qui touche à la nature même du comportement des matériaux lorsqu'ils ne sont pas en équilibre.

Une équipe de chercheurs a maintenant capturé une vue rare et en temps réel de cette transformation dans un verre métallique composé de palladium, de nickel et de phosphore. En combinant deux outils puissants — un dispositif qui mesure le flux de chaleur avec une extrême rapidité et un faisceau de rayons X à haute énergie qui agit comme une caméra ultra-rapide pour les atomes — ils ont pu observer le matériau changer d'avis. Ils ont découvert que le chemin qu'emprunte un verre pour se transformer dépend entièrement de la capacité de mouvement des atomes. Lorsque les atomes sont léthargiques et que le matériau est dans un état profond et figé, le changement se produit lentement et de manière continue, comme un glissement progressif du paysage. Mais lorsque les atomes sont plus mobiles, comme dans un liquide surfondu, le changement se produit brusquement, avec deux versions distinctes du verre coexistant côte à côte avant que l'une ne prenne le dessus. Cette découverte tranche un débat de longue date sur la manière dont ces transitions se produisent, montrant que la vitesse du mouvement atomique dicte le mécanisme de changement.

L'expérience a débuté avec un minuscule ruban de verre métallique, si petit qu'il pesait moins qu'un grain de poussière. Les chercheurs ont placé cet échantillon sur une puce spécialisée capable de chauffer et de refroidir à des vitesses étonnantes, bien plus rapides que n'importe quel four de laboratoire standard. Ils ont utilisé une technique appelée calorimétrie différentielle à balayage rapide pour mesurer la chaleur absorbée ou libérée par l'échantillon, ce qui constitue une empreinte digitale de son énergie interne. Simultanément, ils ont projeté un faisceau de rayons X à haute énergie à travers l'échantillon pour voir comment les atomes étaient agencés. Cette configuration leur a permis de suivre la structure du matériau et sa signature thermique au moment exact, un exploit qui avait auparavant été impossible. Ils ont commencé par refroidir le métal fondu si rapidement qu'il s'est figé en un verre, piégeant les atomes dans un état désordonné. Ils ont ensuite maintenu le verre à une température spécifique pendant des durées variables, observant son évolution.

Ce qu'ils ont observé fut un processus clair en deux étapes. Au début, le verre subissait simplement un « vieillissement », se stabilisant dans une configuration légèrement plus stable à mesure que ses atomes trouvaient de petits îlots de confort. Durant cette phase, les mesures de chaleur montraient un changement unique et fluide, et les diagrammes de rayons X révélaient des ajustements mineurs dans l'espacement atomique. Mais avec le temps, une seconde transformation, plus spectaculaire, a commencé. Le signal thermique s'est divisé en deux pics distincts, et les diagrammes de rayons X ont montré que l'ordre à moyenne portée des atomes devenait beaucoup plus organisé. Il s'agissait de la transition polyamorphe, où le verre passait d'un état de faible densité à un état de haute densité. Les chercheurs ont découvert que cette transition était réversible ; s'ils chauffaient le verre transformé rapidement, il revenait instantanément à son état désordonné initial, libérant l'énergie stockée dans un bref sursaut de chaleur.

La découverte la plus significative est survenue lorsqu'ils ont modifié la température à laquelle ils observaient ce processus. Lorsqu'ils ont réalisé l'expérience à une température plus basse, où les atomes bougeaient très lentement, la transition se produisait graduellement. Le matériau passait par une série continue d'états intermédiaires, se morphant lentement d'une forme à l'autre. C'était comme si l'ensemble du verre changeait de forme à l'unisson, étape par étape. Cependant, lorsqu'ils ont élevé la température à un point où les atomes jouissaient de plus de liberté de mouvement, le comportement a totalement changé. Au lieu d'un glissement fluide, le matériau s'est divisé en deux populations distinctes. Une partie restait dans l'état d'origine tandis que l'autre se transformait instantanément en le nouvel état plus dense. Ces deux versions coexistaient au sein de l'échantillon, croissant et rétrécissant l'une contre l'autre jusqu'à ce que l'une finisse par dominer.

Cette différence de comportement pointe vers une règle fondamentale : la mobilité des atomes contrôle le chemin de la transformation. Dans le verre de basse température, léthargique, les atomes sont trop entravés pour sauter directement vers un nouvel agencement, ils doivent donc se réorganiser lentement et de manière coopérative. Dans le liquide de haute température, plus mobile, les atomes peuvent bouger suffisamment librement pour nucléer l'état nouveau instantanément, entraînant une frontière nette entre l'ancien et le nouveau. Les chercheurs ont écarté la possibilité que cela soit causé par la séparation du matériau en différents mélanges chimiques, confirmant que le changement était purement structurel. Ils ont également constaté que l'énergie requise pour piloter le changement lent et continu était nettement plus élevée que l'énergie nécessaire pour le changement rapide et de coexistence, prouvant davantage que les deux mécanismes sont fondamentalement différents.

Ces résultats fournissent un nouveau cadre pour comprendre comment les matériaux désordonnés se comportent. En démontant que le même matériau peut basculer entre deux modes de transformation différents selon sa température et la mobilité atomique, l'étude offre une image plus claire de la danse complexe entre la thermodynamique et la cinétique dans les verres. Elle suggère que la façon dont un verre vieillit ou se transforme n'est pas une propriété fixe, mais une réponse dynamique à son environnement. Cette intuition pourrait aider les scientifiques à concevoir de meilleurs verres métalliques dotés de propriétés sur mesure, telles qu'une résistance plus élevée ou une meilleure résistance à la fissuration, en contrôlant la manière dont ils sont refroidis et traités. En fin de compte, ce travail révèle que même dans le chaos figé d'un verre, il existe un ordre caché et un ensemble de règles qui régissent ses changements, attendant d'être découverts par ceux qui savent regarder.