Phénomènes de vieillissement en physique de la matière condensée

Vieillissement des matériaux

En physique de la matière condensée, le vieillissement est le phénomène d'évolution au cours du temps des propriétés d'un certain nombre de matériaux. Ces matériaux sont hors-équilibre ; leurs propriétés continuent d'évoluer après leur formation au fur et à mesure qu'ils se rapprochent de l'équilibre : on dit que le système vieillit. Le terme vieillissement est la traduction direct du mot anglais aging utilise pour décrire ces phénomènes mais, dans la littérature française ;il fait en général référence à un domaine plus ancien de la physique des matériaux ou de l'ingénieurie, qui est l'étude du vieillissement des matériaux à des fins industrielles (évolution au long terme des propriétés des matériaux sous une contrainte d'utilisation, exposition à des facteurs chimiques particuliers et usure du matériau). Dans le cas du vieillissement en physique de la matière condensée, on ne s'intéresse qu'à la dynamique interne du matériau, qui est une propriété intrinsèque du système physique étudié, même si on applique des fois des contraintes externes pour en comprendre les mécanismes sous jacents et étudier leurs effets. Il s'agit avant d'un de domaine de la physique fondamentale, mais d'un intérêt élevé pour le secteur industriel (Colgate, Unilever par exemple, investissent dans la recherche dans le domaine auprès des instituts de recherche public).

On compte parmi eux de nombreux systèmes de la matière molle et autres exemples de matière amorphe, tels que les verres colloïdaux, les pâtes, mousses et émulsions, tous très présents dans le monde industriel, ainsi que dans la matière dure : verre de spin, verres de polymères et verres structuraux.

La dynamique des matériaux mous vitreux a été étudiée de manière intense au cours de ces dernières années. La rhéologie et la diffusion de lumière dynamique ont permis d'apporter de nombreuses informations sur le comportement de ces matériaux et plusieurs caractéristiques communes ont pu être dégagées : une relaxation du système qui devient de plus en plus lente avec le temps, des comportements en loi de puissance pour les quantités observées. Mais ces études ont montré aussi des différences notables d'un système à un autre : tantôt une dynamique diffusive des particules pour certains systèmes, tantôt des particules dont le déplacement moyen augmente proportionnellement avec le temps dans d'autres, comportement que l'on appelle balistique.

Propriétés de la dynamique de vieillissement

Le phénomène de vieillissement est un phénomène très courant en Physique de la matière condensée et concerne un grand nombre de système comme il a été évoqué en introduction. Ces systèmes présentent tous la caractéristique d'être hors équilibre thermodynamique, dans un état solide désordonnée, aussi appelée "jammed" après abaissement du volume, de la température ou augmentation de la contrainte appliquée au système. Dans cette état solide désordonnée qui n'est pas à proprement parlé une phase thermodynamique le système a une structure spatiale proche de celle du liquide et ne s'est pas cristallisé lors du passage dans cet état. Le système est donc hors équilibre thermodynamique et va évoluer pour essayer d'attendre cet état d'équilibre. C'est cet évolution du système au cours du temps qui est appelé vieillissement.

De manière expérimentale le vieillissement se caractérise par un ensemble de propriétés observables que nous allons maintenant voir. On observe en effet un ralentissement de la dynamique interne au système au cours du temps. Par exemple Struik, en 1977, a étudié les propriétés rhéologiques d'un verre de polymères. Dans cette expérience Struik fait passer de manière abrupte du PVC en dessous de la température vitreuse. Il attend alors un certain temps, appelé âge de l'échantillon par la suite, avant d'imposer une déformation constante à l'échantillon grâce à une certaine contrainte. Il apparaît alors que la contrainte nécessaire pour maintenir la déformation constante diminue au cours du temps, elle relaxe avec un temps caractéristique de la relaxation. Le phénomène de vieillissement est caractérisé par le fait que ce temps de relaxation de la contrainte va dépendre du temps d'attente avant la déformation, i.e. de l'âge de l'échantillon. Plus précisément il augmente avec l'âge, le système mettant de plus en plus de temps à se relaxer lorsque l'âge de l'échantillon augmente. Cela correspond bien à un ralentissement avec l'âge de la dynamique interne du système. Cette augmentation d'un temps caractéristique de la dynamique interne du système est constitutive du vieillissement quel que soit le système considéré. Par exemple ce temps caractéristique peut être celui de la décroissance d'un facteur de structure pour les systèmes observés par diffusion de lumière, de la relaxation d'un module élastique dans le cas d'expériences de rhéologie, etc.

De manière intéressante, l'évolution du temps de relaxation de la dynamique du système obéit à une loi de puissance en fonction de l'âge, ceci pour tous les systèmes observés. De plus pour ces expériences lorsqu'on exprime les courbes de relaxation des quantités caractéristiques du système (par exemple le module élastique) en fonction d'une variable normalisée par l'âge, à savoir le temps écoulé depuis la déformation que divise le temps de relaxation, toutes les courbes prises pour différentes valeurs de l'age et exprimées en fonction de cette variable normalisée se superposent les unes aux autres. La fonction correspondant a ces courbes superposées une fois renormalisées, est appelé courbe maîtresse.

Ces trois propriétés, temps de relaxation qui augmente avec l'age du système, dépendance en loi de puissance de ce temps de relaxation en fonction de l'age, et, finalement, superposition sur une courbe maîtresse de toutes les courbes de relaxation quel que soit l'age lorsqu'on les exprime en fonction d'une variable normalisée dépendant seulement de l'age et de l'instant de mesure considéré, sont les caractéristiques d'une dynamique de vieillissement pour un matériau.

La définition du vieillissement à partir de ces trois caractéristiques ne fait référence qu'aux propriétés macroscopiques du système et ne distingue pas entre les différents mécanismes possibles mis en jeu pour expliquer la dynamique de vieillissement. Il est à remarquer que malgré le grand nombre de systèmes possédant une dynamique interne hors équilibre, ils vérifient tous cette définition (et donc ces propriétés).

Exemples typiques de systèmes qui vieillissent

Parmi les systèmes pressentant une dynamique de vieillissement, on peut distinguer ceux qui ont une dynamique interne spontanée, et ceux qui nécessitent l'application d'une sollicitation externe pour induire cette dynamique.

Systèmes présentant une dynamique spontanée

Parmi les systèmes présentant un dynamique spontanée, on compte un grand nombre de systèmes de la matière molle

Systèmes pressentant une dynamique interne induite par une sollicitation externe

Modélisation des phénomènes de vieillissement

Même si les mécanismes microscopiques de la dynamique de vieillissement sont encore a ce jour très mal connus, il existe néanmoins un ensemble de modèles théoriques intéressants qui permettent d'un part d'expliquer de manière assez complète et convaincante un ensemble de résultats expérimentaux, d'autre part, de se donner une image des principes sous jacents aux vieillissements pour la plupart des systèmes. Un des modèles phénoménologiques les plus souvent présentés et très utile pour aborder la dynamique de vieillissement est le modèle dit des pièges développé par Bouchaud et Dean (1995-96). Dans ce modèle les auteurs adopte une vision dans l'espace des phases (a savoir l'espace dans lequel on regarde l'énergie acquise par le système lorsqu'il se trouve dans une certaine configuration, correspondant a la position des particules les unes par rapport aux autres, ainsi qu'a leur vitesses)et dans cet espace des phases le système va aller de configurations en configurations voisines en cherchant a augmenter sa stabilité (i.e. a diminuer son énergie). Dans le cas d'une dynamique de vieillissement, les auteurs expliquent ce dernier par un paysage d'énergie très complexe faits de puits de profondeur de plus en plus grande dans lequel le système serait susceptible d'être piégé pendant un temps variable dépendant de la profondeur du puits compare a celle de ses voisins. De manière simpliste, le système passerait de puits en puits de profondeur de plus en plus grande et y resterait donc piège un temps de plus en plus grand, ce temps tendant vers des valeurs extrêmes, menant ainsi a un ralentissement progressif de la dynamique interne. Le système se trouverait donc dans l'incapacité d'explorer l'ensemble des configurations possibles et accessibles pour des raisons cinétiques, les temps caractéristiques de piégeage dans un trou d'énergie devenant de plus en plus grands avec l'age de l'échantillon. Ce modèle simple phénoménologique ainsi donne ainsi une vision accessible et visuelle des raisons pour lesquelles un système peut voir sa dynamique interne ralentir au cours du temps. Néanmoins, comme il se place dans l'espace des phases, il n'apporte pas d'information sur la manière dont le système se réarrange et se réordonne dans l'espace réel au cours du temps.

Recherche sur le vieillissement en France

Liste non exhaustive de laboratoires français travaillant sur les phénomènes de vieillissement en physique de la matière condensée :

• Laboratoire Colloîdes, Verres et Nanomatériaux - UMR 5587, Montpellier [1]
• Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et des Nanostructures - UMR 5586, Lyon [2]
• Laboratoire de Physique de l'ENS Lyon - UMR 5672, [3]

Littérature sur le vieillissement en Physique de la matière condensée

La littérature sur le phénomène de vieillissement, qui a été mis en évidence assez récemment, est a ce jour plutôt limitée et est principalement constitue d'articles issus de revues scientifiques spécialisées. Néanmoins on peut trouver un état de l'art dans les parties introductives de nombreuses thèses de doctorat françaises qui sont consacres a son étude. Par ailleurs il existe un certain nombre d'articles faisant l'état de l'art dans les revues spécialisées, articles généralement en anglais. Nous allons recenser ici un ensemble d'articles qui pourraient apporter des pistes de départ pour aborder le vieillissement. Cette bibliographie externe en fin d'article est basée sur les connaissances de l'auteur en la matière en termes de références de qualité et ne se veut en aucun cas exhaustive ou exclusive.

Articles connexes

• Physique de la matière condensée
• Phase

Liens externes

• Le serveur Thèses en Ligne, donnant accès a un grand nombre de thèses de doctorat écrites en français, propose une section spécialement consacrée aux phénomènes de vieillissement dans la partie Physique/Physique statistique/Systèmes désordonnés et/ou hors d'équilibre.
• [pdf] Article faisant une revue des phénomènes de vieillissement en Physique des matériaux mous et vitreux
• [pdf] Article décrivant le phénomène de jamming pour les particules attractives

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