Polyamorphisme dans la silice amorphe sous pression : des transitions de percolation aux réponses mécaniques, une étude par dynamique moléculaire

Julien PERRADIN

Comprendre les transitions amorphe–amorphe (AAT) et le polyamorphisme dans les verres reste difficile, car les indicateurs structuraux et thermodynamiques usuels tendent à lisser la réorganisation du désordre en transitions dite continue plutôt qu’en transitions nettes. Cette thèse propose un cadre théorique pour la silice vitreuse (v‑SiO2) combinant simulations atomistiques à grande échelle, un outil dédié d’analyse de clusters et de percolation (Nexus‑CAT), et une une analyse finite-size scaling pour révéler la criticalité des transitions de percolation identifiées sous pression et ses conséquences mécaniques macroscopiques. Premièrement, l’évolution structurale sous compression hydrostatique est étudiée à l’aide de plusieurs potentiels d’interaction, puis comparée aux données expérimentales. On décrit la formation des unités SiO5 et SiO6 et l’augmentation du nombre de connectivités qui accompagnent la densification du réseau tétraédrique vers des coordinences plus élevées. Deuxièmement, l’introduction de l’outil Nexus‑CAT développé lors de ce travail, permet d’identifier de manière fiable des amas de polyèdres de coordinences différentes (SiOz–SiOz) et de calculer diverses propriétés issues de la théorie de la percolation, afin de suivre leur formation et leur percolation au cours de la compression. Troisièmement, l’analyse par finite-size scaling montre que la transformation de l’état de basse densité (LDA) vers l’état de haute densité (HDA) passe par des transitions de percolation distinctes des polyèdres intermédiaires (SiO5) et octaédriques (SiO6). Ces transitions présentent des fluctuations sans échelle, ce qui permet de déterminer des exposants critiques et des dimensions fractales, d’évaluer la classe d’universalité en comparant les approches bonded et non-bonded, et de rapprocher qualitativement ces résultats de ceux obtenus pour l’eau. Enfin, ce travail relie ces seuils de percolation aux anomalies macroscopiques : changements de pente du module élastique, densification permanente, transition élastique‑plastique au‑delà d’environ 10 GPa, ainsi que la double hystérèse observée en diffusion Brillouin lors des cycles compression–décompression. L’ensemble établit la percolation comme cadre théorique pour comprendre et analyser qualitativement les transitions amorphe-amorphe (AAT) des réseaux désordonnés, mets en parallèle les signatures structurales et données expérimentales, et fournit des outils prédictifs pour cartographier transitions structurales et réponses mécaniques en compression, proposant ainsi une approche transférable pour d’autres matériaux désordonnés.