導入
物性物理学において、老化とは、特定の数の材料の特性が時間の経過とともに進化する現象です。これらの物質は平衡状態から外れています。それらの特性は、その形成後も平衡に近づくにつれて進化し続けます。つまり、システムが老化すると言います。老化という用語は、これらの現象を説明するために使用される英語の老化という単語の直接翻訳ですが、フランスの文献では一般に、工業目的での材料の老化の研究である材料物理学または工学の古い分野を指します。使用によるストレス、特定の化学的要因への曝露、および材料の摩耗による材料特性の進化という用語)。物性物理学における老化の場合、根底にあるメカニズムを理解してその影響を研究するために外部制約を適用することはあっても、研究対象の物理システムの固有の特性である材料の内部力学のみに関心があります。 。これは主に基礎物理学の分野ですが、産業界の関心も高いです（たとえば、コルゲートやユニリーバは公的研究機関と協力してこの分野の研究に投資しています）。
その中には、ソフトマターのシステムや、コロイドガラス、ペースト、フォーム、エマルションなどのアモルファスマターの他の例が多数あり、これらはすべて産業界に非常に存在しており、スピングラス、ポリマーガラス、構造ガラスなどのハードマターにも含まれています。
ガラス状の柔らかい材料の動力学は、近年集中的に研究されています。レオロジーと動的光拡散は、これらの材料の挙動に関する多くの情報を提供しており、いくつかの共通の特性が特定されています。時間の経過とともに徐々に遅くなる系の緩和、観察された量のべき乗則に基づく挙動などです。しかし、これらの研究は、あるシステムから別のシステムへの顕著な違いも示しています。あるシステムでは粒子の拡散力学が存在することもあれば、他のシステムでは平均変位が時間に比例して増加する粒子、つまり弾道と呼ばれる挙動が存在することもあります。
老化ダイナミクスの特性
老化現象は物性物理学では非常に一般的な現象であり、冒頭で述べたように多くのシステムに関係します。これらの系はすべて、体積や温度を下げたり、系にかかる応力を増加させたりすると、熱力学的平衡から外れ、無秩序な固体状態になるという特徴を持ち、「詰まり」とも呼ばれます。厳密に言えば熱力学的相ではないこの無秩序な固体状態では、系は液体の空間構造に近い空間構造を持ち、この状態に移行する間に結晶化していません。したがって、システムは熱力学的平衡から外れており、この平衡状態に到達しようと進化します。このように時間の経過とともにシステムが進化することを老化と呼びます。
実験的には、老化はこれから説明する一連の観察可能な特性によって特徴付けられます。実際、時間の経過とともにシステムの内部ダイナミクスが減速していることが観察されます。たとえば、Struik は 1977 年にポリマー ガラスのレオロジー特性を研究しました。この実験では、Struik は PVC をガラス温度以下に急激に下げました。次に、特定の制約によりサンプルに一定の変形を加える前に、サンプルの経過時間と呼ばれる一定時間待機します。その後、一定の変形を維持するために必要な応力は時間の経過とともに減少し、緩和の時間特性とともに緩和されるように見えます。時効現象の特徴は、この応力緩和時間が変形前の待ち時間、つまりサンプルの年齢に依存するという点です。より正確には、それは年齢とともに増加し、サンプルの年齢が増加するにつれてシステムがリラックスするのにますます時間がかかります。これは、システムの内部ダイナミクスの経年劣化によく対応しています。システムの内部ダイナミクスに特徴的なこの時間の増加は、システムがどのように考慮しても老化を構成します。たとえば、この特性時間は、光散乱によって観察される系の構造因子の減少、レオロジー実験の場合の弾性モジュールの緩和などです。
興味深いことに、システムダイナミクスの緩和時間の発展は、観察されたすべてのシステムで、年齢の関数としてべき乗則に従います。これらの実験に加えて、系の特性量 (弾性率など) の緩和曲線を、年齢、つまり緩和時間を分割する変形からの経過時間によって正規化された変数の関数として表すと、さまざまな年齢値に対して取得され、この正規化された変数の関数として表されたすべての曲線が互いに重ね合わされます。再正規化されたこれらの重ね合わせられた曲線に対応する関数は、マスター曲線と呼ばれます。
これら 3 つの特性、システムの年齢とともに増加する緩和時間、年齢の関数としてのこの緩和時間のべき乗則依存性、そして最後に、関数として表現されたときの年齢を問わずすべての緩和曲線のマスター曲線への重ね合わせです。考慮される年齢と測定の瞬間のみに依存する標準化された変数の値は、材料の経年変化のダイナミクスの特性です。
これら 3 つの特性に基づく老化の定義は、システムの巨視的特性のみを参照しており、老化のダイナミクスを説明するために関与する可能性のあるさまざまなメカニズムを区別しません。非平衡の内部ダイナミクスを持つ多数のシステムにもかかわらず、それらはすべてこの定義 (したがってこれらの特性) を満たしていることに注意してください。
