Un verre qui se renforce en pleine course express
Une fine fissure court sur le verre. À première vue, la ligne de fracture ne fait que refléter la fragilité du matériau. Mais si l'on descend à l'échelle des atomes, le tableau se complique : le verre résiste autrement lorsque la fissure accélère.
À l'aide d'un modèle informatique qui simule le comportement de chaque atome dans le verre de silice, les chercheurs ont suivi l'évolution de l'énergie de rupture (le travail qu'il faut fournir pour briser les liaisons et créer une nouvelle surface). Ils ont constaté qu'à des vitesses inférieures au seuil de ramification — le moment où la fissure se divise en de multiples branches — cette énergie peut bondir de 33 %. On pensait auparavant que cette augmentation était uniquement due au fait que la fracture devient rugueuse et que sa surface réelle s'agrandit. Mais le modèle montre qu'environ la moitié de cette hausse provient du fait qu'à l'échelle nanométrique, la surface elle-même devient différente : les atomes se réorganisent de telle sorte qu'il est plus difficile de rompre leurs liaisons.
Ce résultat signifie que l'énergie de rupture n'est pas une constante de tableau comme la température de fusion. Elle dépend de la manière dont le matériau se brise. Pour les ingénieurs, c'est un indice : pour prédire plus précisément quand et comment une pièce en verre se brisera, il faut tenir compte non seulement des microfissures, mais aussi de leur vitesse de croissance. Et pour la physique du solide, c'est un pas de plus vers la compréhension de la façon dont le désordre à l'échelle atomique contrôle la résistance macroscopique.
La fissure qui semblait au départ n'être qu'une ligne de faiblesse révèle en réalité la vie complexe des atomes. En accélérant, elle force le verre à se réorganiser — et à devenir plus résistant sur le chemin même de la fracture.
Le verre de silice modélisé dans cette étude est composé des mêmes molécules de dioxyde de silicium que le sable ordinaire, mais les atomes n'y sont pas disposés en un réseau cristallin strict — d'où sa transparence et sa fragilité.
Dans le roman « Blindés » de Peter Watts, le vaisseau extraterrestre est fait d'un matériau qui modifie lui-même sa structure sous contrainte — un peu comme le verre de cette étude.