Clouage Optique de Molécules pour l'Etude de la Transition Vitreuse – COMET

Comprendre la véritable nature des verres reste à ce jour l’un des défis les plus importants de la physique de la matière condensée. Bien que les verres soient utilisés dans de très nombreuses applications, on se demande toujours si les verres sont de véritables solides relaxant vers un état thermodynamique, ou bien s’ils sont juste une structure amorphe dont le temps de relaxation est si grand que le système apparait comme un solide expérimentalement. Selon certaines théories, les verres atteindraient un véritable état d’équilibre via une transition du premier ordre à la température TK dite de Kauzmann au-dessous de laquelle un état vitreux « idéal » est atteint, mais ceci est contesté par d’autres théories. Il est très difficile de trancher ce débat –apparemment si simple- du fait que lorsqu’on décroit leur température, le temps de relaxation des verres devient si grand que le système tombe hors équilibre, rendant impossible de faire des mesures à l’équilibre suffisamment près de TK.

Très récemment, des avancées théoriques ont proposé une stratégie pour contourner ce problème : l’idée est de figer dans le liquide une concentration c de molécules –par la procédure dite du « clouage »- et d’étudier ensuite comment le temps de relaxation et d’autres quantités thermodynamiques dépendent de cette concentration c. Ce « clouage » devrait révéler des propriétés nouvelles, par rapport au cas usuel c=0. En particulier la transition thermodynamique –si elle existe- devient une ligne de Kauzmann TK(c) possédant des propriétés bien spécifiques, avec des conséquences sur le comportement du temps de relaxation en fonction de T et de c qui devraient être mesurables avant que le système ne tombe hors équilibre.

Le but du projet COMET est de tester ces prédictions théoriques en réalisant la première expérience de « clouage » sur un liquide moléculaire. Nos résultats aideront donc à comprendre si oui ou non le ralentissement de la dynamique des verres résulte d’une transition thermodynamique sous-jacente. Notre approche consiste à mélanger un liquide vitrifiable (à base de triazine) avec une fraction c de molécules qui, grâce à une modification chimique mineure, sont rendues optiquement actives, c’est-à-dire que leurs degrés de liberté rotationnels peuvent être figés par une source de lumière. Ceci permet de réaliser expérimentalement le clouage de ces degrés de liberté rotationnels. Nous prévoyons ensuite d’étudier par spectroscopie diélectrique le comportement du temps de relaxation dans le plan T-c. Tout au long de notre projet, nos résultats expérimentaux seront comparés avec des simulations numériques adaptées à notre protocole expérimental, ce qui affermira nos conclusions sur l’existence ou non de la ligne TK(c).

Finalement, c’est en combinant la conception sur mesure d’un liquide vitrifiable moléculaire, avec une méthodologie nouvelle exploitant les théories et simulations de pointe, que notre projet COMET ambitionne de réaliser la première expérience testant les idées récemment proposées dans la littérature pour sonder l’existence –ou la non existence- d’une transition vitreuse thermodynamique.