La longue mémoire des surfaces de verre
Les surfaces de verre conservent à l’état solide une mémoire de la direction dans laquelle elles se sont écoulées à l’état liquide. C’est le résultat surprenant que viennent de publier dans la revue Physical Review Letters des chercheurs des unités de recherche PMMH, SIMM et Neurophotonics Laboratory, en collaboration avec l’Université de Southampton.
À l’état solide un verre garde le souvenir du liquide qu’il fut à haute température avant de figer sous l’effet d’un refroidissement rapide. La structure atomique d’un verre est quasiment la même que celle d’un instantané du liquide. On sait de la même façon que la surface d’un verre est extrêmement lisse parce qu’on y retrouve, figées, les fluctuations passées d’une interface liquide. La rugosité associée à ces fluctuations liquides figées est infime, quelques fractions de nanomètres et correspond à une valeur minimum prédite par la thermodynamique à l’équilibre.
Les chercheurs ont montré que cette limite pouvait être franchie : des interfaces de verre, qui à l’état liquide ont été soumises à des contraintes mécaniques très élevées sont jusqu’à 40 % plus lisses que la limite attendue. Pour obtenir ce résultat, les chercheurs ont eu recours à la haute sensibilité de la microscopie à force atomique (AFM). Ils ont mesuré la rugosité d’interfaces de verre produites dans des conditions très loin de l’équilibre : des fibres optiques à coeur photonique et des capillaires de silice produits par étirage à haute température. Les surfaces de verre obtenues sont extraordinairement lisses : leur rugosité est de l’ordre de 0.15 nanomètre, soit l’équivalent d’une seule distance interatomique dans un verre de silice ! De façon plus surprenante encore, les fluctuations de la surface du verre sont atténuées spécifiquement le long de la direction de l’étirage. En d’autres termes, ces surfaces de verre gardent le souvenir de la direction dans laquelle elles ont été étirées à l’état liquide.
Au delà de leur intérêt fondamental, ces travaux trouvent une application directe dans le cadre du développement des nouvelles fibres optiques à coeur photonique. Réduire la rugosité des interfaces de verre en deçà de la limite attendue permet en effet de réduire les pertes par diffusion de la lumière et donc d’améliorer la transmission de ces fibres au sein desquelles la lumière est guidée le long du coeur creux d’une microstructure type nid d’abeille.
Ces travaux ont été effectués dans le cadre du projet européen ModeGap : « Multimode Capacity Enhancement with Photonic Band-Gap Fibres » et ont bénéficié du soutien de la région Ile-de-France via le DIM OxyMore.
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Schéma de principe de l’étirage d’une fibre optique à coeur photonique avec deux images AFM montrant la rugosité isotrope (anisotrope) avant (après) la zone d’étirage à haute température.
Références :
Anisotropic super-attenuation of capillary waves on driven glass interfaces
B. Bresson, C. Brun, X. Buet, Y. Chen, M. Ciccotti, J. Gâteau, G. Jasion, M. N. Petrovich, F. Poletti, D. J. Richardson, S. R. Sandoghchi, G. Tessier, B. Tyukodi, and D. Vandembroucq
Phys. Rev. Lett. 119, 235501 (5 décembre 2017)
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.235501