Transition vitreuse

La transition vitreuse est un ensemble de phénomènes physiques associés au passage d'un état de liquide surfondu à un état solide, qualifié de vitreux[2] - [3]. Par définition, lors d'une transition vitreuse, la viscosité se situe entre 10¹² et 10¹⁴ Pa.s[2].

La température à laquelle cette transition a lieu s'appelle la température de transition vitreuse, communément notée T_g[2] - [3]. Elle augmente lorsque le refroidissement accélère[2]. La transition vitreuse n’a pas lieu à une température unique, mais sur une gamme de température. Pour cette raison, la T_g peut être déterminée en début, au milieu, comme à la fin de la transition.

Le matériau obtenu en-dessous de la température de transition vitreuse, appelé verre, possède une structure que l'on peut supposer proche de celle du liquide à la température T_g[3], et donc sans ordre à longue portée[Note 1]. Puisque la structure d'un liquide dépend de sa température, un verre ayant subi une trempe rapide (T_g élevée) a une structure plus « ouverte » qu'un verre ayant subi un refroidissement lent (T_g faible)[2] - [3].

Une rupture de pente se produit si on représente l'évolution de certaines grandeurs (volume spécifique, masse volumique, enthalpie, indice de réfraction, etc.) du matériau en fonction de sa température[3]. La continuité des grandeurs thermodynamiques lors du changement d'un état liquide vers un état solide est caractéristique de la transition vitreuse[4]. Cette continuité des grandeurs signifie qu'il n'y a pas de libération ou d'absorption de chaleur latente : la transition est dite de second ordre, et n'est généralement pas qualifiée de transition de phase.

La transition vitreuse n’est pas réversible et elle est dépendante du temps, c’est-à-dire qu’elle est affectée par les conditions expérimentales telles que la vitesse de chauffage ou de refroidissement. Plusieurs paramètres influencent la température de transition vitreuse, les plus importants étant la composition chimique, la présence d’eau et les propriétés physiques.

Malgré les changements des propriétés physiques du matériau lors de sa transition vitreuse, celle-ci n'est pas considérée pour autant comme un changement de phase ; elle est plutôt décrite comme un phénomène de laboratoire se produisant sur une certaine gamme de températures et définie par plusieurs conventions[5] - [6]. Ces conventions incluent entre autres un taux de refroidissement constant (20 K/min)[1] et un seuil de viscosité de 1 × 10¹² Pa s. Refroidi ou chauffé dans cette gamme de transition vitreuse, le matériau montre une progression douce de son coefficient de dilatation thermique et de sa capacité thermique, la localisation de ces effets dépendant de l'historique du matériau[7]. Cependant, le fait de savoir si une transition de phase « sous-tend » cette transition vitreuse fait toujours l'objet de recherches[5] - [6] - [8].

La température de transition vitreuse (T_g) du matériau amorphe est toujours plus basse que le point de fusion de sa forme cristalline, si ce matériau existe également sous cette forme.

Diffractogramme de rayons X d’un mélange de deux composés : l’un vitreux et l’autre cristallin.

En raison de sa structure amorphe, les verres produisent, en diffraction des rayons X (DRX), un halo de diffusion, contrairement aux cristaux qui donnent des pics étroits et intenses.

Les méthodes les plus courantes pour déterminer la transition vitreuse sont l'analyse thermique différentielle et la dilatométrie[3].