ESPCI Paris : Et pourtant il coule !

Et pourtant il coule !

27/02/2014

Dans le cadre d’une collaboration internationale, des chercheurs du laboratoire Gulliver viennent d’expliquer le mécanisme d’écoulement des polymères vitreux, à l’origine de déformations potentiellement délétères, notamment en nanolithographie. Ces résultats sont publiés aujourd’hui dans Science.

De gauche à droite : Thomas Salez, Élie Raphaël & Michael Benzaquen (en collaboration avec Yu Chai, Joshua D. McGraw, Kari Dalnoki-Veress et James A. Forrest) (crédits : ©ESPCI ParisTech).

Même si les polymères vitreux sont des matériaux très largement utilisés dans l’art, l’industrie et les nanotechnologies, leur comportement n’est pas encore totalement compris ni maîtrisé. On constate que ces matériaux amorphes présentent en effet les caractéristiques d’un écoulement lorsqu’ils sont soumis à des forces telles que la gravité (comme les vitraux à l’échelle macroscopique) ou les forces capillaires (pour les nanomatériaux).

Ces déformations peuvent être particulièrement délétères, notamment dans le domaine de la nanolithographie, où la précision et la stabilité dans le temps des motifs lithographiés est cruciale pour retenir l’information digitale enregistrée.

Les chercheurs du laboratoire Gulliver, unité mixte de l’ESPCI ParisTech et du CNRS, viennent d’expliquer pour la première fois le mécanisme à l’origine de cet écoulement. Ils ont montré qu’il avait bien lieu en dessous de la température de vitrification du matériau et que la cause de cet écoulement peut être attribuée à une couche de mobilité accrue en surface de l’échantillon.

Ces travaux sont publiés aujourd’hui en ligne sur le site de la prestigieuse revue Science, et font l’objet d’une analyse d’experts du domaine qui mettent ces résultats en perspective.

Comprendre comment ces matériaux "coulent" permet de mieux appréhender les mécanismes intimes de la transition vitreuse, phénomène central de la science des matériaux, et ses anomalies. Cela ouvre aussi la possibilité de mieux maîtriser ces déformations et donc d’en limiter les effets néfastes.

Ces résultats ont été obtenus grâce à une collaboration internationale avec deux équipes canadiennes, ce qui a permis de mettre en œuvre des approches théorique et expérimentale complémentaires.

Le nom que porte le laboratoire Gulliver est emblématique de sa spécificité dans le paysage de la recherche scientifique en France et dans le monde. Ce laboratoire se distingue en effet par sa capacité à décrire de manière théorique et à modéliser de manière expérimentale des phénomènes que l’on retrouve à plusieurs échelles de grandeur, du nanométrique au macroscopique. C’est en franchissant ces barrières dimensionnelles que les chercheurs identifient des analogies trans-échelles et exploitent les intuitions fécondes qu’elles génèrent. En l’occurrence, l’écoulement des matériaux vitreux se retrouve à la fois dans les vitraux et en nanolithographie.

Relaxation de surface d’un nanofilm de polymère vitreux en forme de marche d’escalier. Au dessus de la température de vitrification, le système passe spontanément d’un comportement vitreux à un comportement liquide au cours du temps t. Une vidéo illustrant le phénomène est aussi disponible (crédits : ©Gulliver).