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La transition vitreuse magique : savez-vous quelle est la température de transition vitreuse ?
Dans notre vie quotidienne, nous entrons en contact avec une variété de matériaux en verre, mais peu de gens pensent à la science derrière ces matériaux. Le verre est une substance distinctive dotée de propriétés de transformation uniques, notamment lorsqu’il passe d’un état à un autre. Ce phénomène est appelé transfert vitreux, ou transition vitreuse, et est un processus graduel et réversible qui se produit dans les matériaux amorphes d'un état « vitreux » dur et cassant à un état visqueux à mesure que la température augmente.
Le processus de transformation du verre est un phénomène mystérieux car même dans la plage de température allant jusqu'à 500 K, cette transformation n'entraîne pas de changements significatifs dans la structure du matériau.
La température de transition vitreuse Tg est un paramètre important qui décrit la plage de température de cette transition. Cette température est toujours inférieure au point de fusion Tm de l’état cristallin car le verre est essentiellement un état énergétique plus élevé. De nombreux plastiques rigides, tels que le polystyrène et le polyméthacrylate de méthyle, ont généralement une Tg d'environ 100 °C. Cela signifie qu'ils restent solides en dessous de cette température et deviennent plus mous et plus flexibles au-dessus de cette température.
L'application d'élastomères de caoutchouc tels que le polyisoprène et le polyisobutylène est exactement le contraire. Ces matériaux sont utilisés dans un état supérieur à leur Tg, dans lequel ils apparaissent doux et flexibles. Une telle structure réticulée empêche la libre circulation des molécules, de sorte que le caoutchouc peut conserver une forme fixe à température ambiante.
Bien que les propriétés physiques du verre changent, la transition vitreuse n'est pas considérée comme un changement de phase, mais plutôt comme un phénomène dynamique qui repose sur l'histoire thermique.
Dans de nombreux matériaux, lorsque le processus de congélation conventionnel est remplacé par un refroidissement rapide, la transition de phase cristalline est évitée et l'état vitreux se forme directement. De tels matériaux ont des capacités vitreuses, c'est-à-dire la capacité de rester dans un état amorphe lorsqu'ils sont refroidis rapidement. Cette propriété est liée à la composition du matériau et peut être prédite par la théorie de la rigidité. La question suivante est la suivante : la structure d’un matériau qui reste à l’état vitreux peut-elle se détendre davantage avec le temps ?
Le verre change de structure lentement dans sa plage de transformation. Même à des températures plus basses, la configuration du verre sera relativement stable, tandis que la structure de nombreux matériaux tendra vers un état d'équilibre thermique après un certain chauffage ou refroidissement. Ce processus démontre le principe de base de la minimisation de l'énergie libre de Gibbs et fournit une force motrice dynamique qui permet à la structure du verre de changer dans le temps.
De nombreux chercheurs pensent que le verre a un état dynamiquement verrouillé dans lequel son entropie et sa densité dépendent de son histoire thermique, et que cet état n'atteindra pas l'équilibre thermique.
En ce qui concerne la transition vitreuse, il existe également le paradoxe de Schrödinger, c'est-à-dire que lorsque le liquide est surfondu, la différence d'entropie entre la phase liquide et la phase solide diminue, et la température lorsque la différence d'entropie est nulle peut être déduite. Cette température est appelée température de Kauzmann. Cela a conduit à l’idée que le liquide pourrait s’auto-cristalliser avant d’atteindre cette température. Les nombreuses hypothèses cherchant à expliquer le paradoxe de Kauzmann offrent différentes perspectives sur la nature de la transition vitreuse.
D'après des recherches plus récentes, la définition de la température de transition vitreuse n'est pas uniforme et est affectée par différentes normes. Les résultats peuvent produire des valeurs différentes dans différentes circonstances. Cependant, lors de ces mesures, la vitesse de refroidissement ou de chauffage peut affecter de manière significative la valeur Tg mesurée. L’exploration du phénomène de transition vitrée en intérieur nous amène à nous demander s’il existe un moyen plus ingénieux de comprendre les raisons sous-jacentes de ce phénomène ?
