Réarrangements locaux dans les verres modèles : de la micromécanique aux processus de relaxation dans un liquide surfondu

Local shear rearrangements in glassy systems : from micromechanics to structural relaxation in supercooled liquids

• Auteur / Autrice : Matthias Lerbinger
• Direction : Damien Vandembroucq, Sylvain Patinet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/11/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....) - Physique et mécanique des milieux hétérogenes / PMMH (UMR_7636)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : David Rodney
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Damien Vandembroucq, Sylvain Patinet, David Rodney, Andreas Heuer, Leticia F. Cugliandolo, Béatrice Ruta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andreas Heuer

Mots clés

Mots clés libres

Micro-mécanique

Solide amorphe

Liquide surfondu

Dynamique moléculaire

Micromechanic

Amorphous solid

Supercooled liquid

Molecular dynamics

Résumé

Dans cette thèse, la méthode de la limite d’élasticité locale est appliquée et approfondie pour étudier d’une part les réarrangements atomiques isolés et irréversibles induits par cisaillement et d’autre part la relaxation structurelle dans un liquide formateur de verre, un mélange binaire Lennard-Jones 2D. La méthode permet d’obtenir la réponse mécanique locale d’un état inhérent de manière directe et non-perturbatrive tout en contrôlant les échelles de longueur et les directions de chargement. Dans la première partie, l’accent est mis sur une petite inclusion du verre. Sa réponse micromécanique est sondée dans la limite athermique quasi-statique. L’influence de l’échelle de longueur, sur laquelle la réponse mécanique est sondée, est discutée. La variation des statistiques de seuil en fonction de la taille de la zone de sondage peut être comprise sur la base d’un argument géométrique simple et d’une hypothèse de maillon faible. Ensuite, en déterminant la limite d’élasticité critique locale avec une résolution angulaire élevée sur la direction de chargement, on observe que seul un nombre fini et discret de réarrangements de cisaillement est accessible, chacun d’eux se caractérisant par un plan faible distinct. De plus, la limite d’élasticité critique montre une grande sensibilité à la pression. On constate que pour l’échelle de longueur étudiée, le critère d’élasticité de Mohr-Coulomb décrit par morceaux la contrainte de cisaillement critique avec précision. Dans la deuxième partie, un lien fort entre la structure et la dynamique des liquides surfondus est établi. La nouveauté du présent travail est la caractérisation de la structure par des seuils de glissement locaux. Une forte corrélation est trouvée entre d’une part les barrières de contrainte dans la direction la plus faible calculée dans l’état inhérent et d’autre part les observables associées à la relaxation de la structure à l’état liquide. Comme attendu, un coefficient de corrélation plus élevé est constaté pour les liquides équilibrés à des températures plus basses, signe que le paysage d’énergie potentielle influence davantage la dynamique.

In this thesis, the local yield stress method is applied and extended to study single, irreversible atomistic rearrangementsas well as structural relaxation in a model glass-forming liquid, a two dimensional binary Lennard-Jones mixture. Themethod gives access to the local mechanical response of an inherent configuration in a direct and non-perturbativemanner while controlling the length scales and loading directions. In the first part, the focus is on a small inclusion ofthe glass. Its micromechanical response is probed in the athermal quasi-static limit. The influence of the length scale,at which the mechanical response is probed, is discussed. The variation of the threshold statistics with the size of theprobing zone can be understood on the basis of a simple geometric argument and a weakest link assumption. Then, upondetermining the dependence of the local critical yield stress on the shear loading direction with a high angular resolution,it is observed that only a finite and discrete number of shear rearrangements is accessible, each of them having a distinctweak plane. Furthermore, the critical yield stress shows a high sensitivity towards the pressure in the simulation box. It isfound that for the length scale studied, a Mohr-Coulomb yield criterion describes piecewise accurately the critical shearstress. In the second part, a connection between structure and dynamics of model supercooled liquids is established. Thenovelty in the present work is the characterization of the structure through local slip thresholds. A strong correlation isfound between the stress barriers in the softest direction calculated in the as-quenched state and observables associatedto the relaxation of the liquid structure at parent temperature. As expected, a higher correlation coefficient is detected forliquids equilibrated at lower temperatures, as the potential energy landscape increasingly influences the dynamics.