La glace n’est pas toujours de la glace tout au long. Même à des températures bien inférieures au point de congélation, sa surface peut être recouverte d’un film d’atomes quasi liquides, son épaisseur n’étant généralement que de quelques nanomètres.
Le processus de sa formation est connu sous le nom de préfusion (ou « fusion de surface »), et c’est pourquoi vos glaçons peuvent coller ensemble même dans le congélateur.
En plus de la glace, nous avons observé une couche de surface préfondue dans une large gamme de matériaux à structures cristallines, ceux où les atomes à l’intérieur sont disposés dans un réseau soigneusement ordonné, comme les diamants, le quartz et le sel de table.
Maintenant, pour la première fois, des scientifiques ont observé la fusion en surface d’une substance qui est en désordre interne : le verre.
Le verre et la glace peuvent sembler très similaires, mais ils sont souvent très différents à l’échelle atomique. Là où la glace cristalline est belle et bien rangée, le verre est ce que nous appelons un solide amorphe: Il n’a pas de véritable structure atomique à proprement parler. Au lieu de cela, ses atomes sont en quelque sorte tous pêle-mêle entassés, plus comme on s’attendrait à voir dans un liquide.
Ceci, comme on pouvait s’y attendre, rend beaucoup plus difficile le repérage d’un film préfondu quasi liquide à la surface du verre.
La détection de cette couche liquide pelliculaire est généralement effectuée par des expériences impliquant la diffusion de neutrons ou de rayons X, qui sont sensibles à l’ordre atomique.
De la glace solide est commandée; la fusion superficielle l’est moins. Dans le verre, tout est un gâchis, donc la diffusion ne serait pas un outil particulièrement utile.
Les physiciens Clemens Bechinger et Li Tian de l’Université de Constance en Allemagne ont adopté une approche différente. Plutôt que de sonder un morceau de verre atomique, ils ont créé quelque chose appelé verre colloïdal – une suspension de sphères de verre microscopiques en suspension dans un liquide qui se comporte comme les atomes du verre atomique.
Comme les sphères sont 10 000 fois plus grandes que les atomes, leur comportement peut être vu directement au microscope et donc être étudié plus en détail.
À l’aide de la microscopie et de la diffusion, Bechinger et Tian ont examiné de près leur verre colloïdal et ont identifié les signes de fusion de surface ; à savoir, les particules à la surface se déplaçaient plus rapidement que les particules du verre en vrac en dessous.
Ce n’était pas inattendu. La densité du verre en vrac est supérieure à la densité de la surface, ce qui signifie que les particules de surface ont littéralement plus d’espace pour se déplacer. Cependant, dans une couche sous la surface, jusqu’à 30 diamètres de particules d’épaisseur, les particules continuent à se déplacer plus rapidement que le verre en vrac, même lorsqu’elles atteignent des densités de verre en vrac.
“Nos résultats démontrent que la fusion en surface des verres est qualitativement différente de celle des cristaux et conduit à la formation d’une couche vitreuse en surface”, les chercheurs écrivent dans leur article.
“Cette couche contient des amas coopératifs de particules hautement mobiles qui se forment à la surface et qui prolifèrent profondément dans le matériau sur plusieurs dizaines de diamètres de particules et bien au-delà de la région où la densité de particules sature.”
Étant donné que la fusion de surface modifie les propriétés de la surface d’un matériau, les résultats offrent une meilleure compréhension du verre, ce qui est extrêmement utile dans une gamme d’applications mais aussi assez farfelu.
Par exemple, une mobilité de surface élevée pourrait expliquer pourquoi les films vitreux polymères et métalliques minces ont une conductivité ionique élevée par rapport aux films épais. Nous mettons déjà cette propriété à profit dans les batteries, où ces films agissent comme des conducteurs ioniques.
Une meilleure compréhension de cette propriété, de ses causes et de la façon dont elle peut être induite aidera les scientifiques à trouver des façons optimisées et même nouvelles de l’utiliser.
Les recherches de l’équipe ont été publiées dans Communication Nature.
