Des chercheurs de l'Université Queen Mary de Londres ont développé une nouvelle approche informatique pour mieux comprendre la congélation dans différents types de liquides.

Le processus de congélation, où un liquide se transforme en solide, n'est pas aussi simple qu'il y paraît. De nombreuses substances, y compris l'eau et la cire, ont plusieurs états solides en raison de différences dans l'arrangement de leurs atomes et molécules. Cependant, effectuer des expériences pour visualiser les arrangements moléculaires exacts et comment ils se transforment entre les états peut être difficile.

Au cours des dernières décennies, les modèles informatiques ont été de plus en plus utilisés pour compléter les études expérimentales, apportant de nouvelles connaissances moléculaires sur les propriétés des états gazeux et liquides ainsi que les transitions entre eux (par exemple, l'évaporation).

Cependant, les phases plus denses restent un défi, et la complexité de la congélation des liquides en solides a échappé à la plupart des méthodes, surtout lorsqu'il y a plus d'un arrangement solide possible.

Dans l'étude, publié dans le Journal de chimie physique B , les scientifiques ont développé de nouvelles approches informatiques pour étudier la cire, qui est connu pour avoir plusieurs arrangements gelés. En utilisant leur méthode, ils ont pu prédire son point de fusion à moins de 2°C de la valeur expérimentale.

Comparer les performances

Lorsqu'ils ont comparé les performances de ces méthodes avec la plupart des techniques de calcul existantes, ils ont montré que leur approche de modélisation offrait une vision plus réaliste de ce qui se passe lorsque les liquides gèlent et pouvaient même prédire certaines des structures cristallines les plus « exotiques » formées au cours de ce processus.

Dr Stephen Burrows, Assistant de recherche postdoctoral à Queen Mary, a déclaré:"Les alcanes solides sont inhabituels parce que les molécules ont une liberté surprenante. Si vous partez d'un cristal parfait et augmentez la température, les molécules acquièrent soudainement la capacité de tourner, avec un mouvement semblable à celui d'un dormeur agité qui se tourne et se retourne dans son lit."

« Nous avons testé les méthodes les plus utilisées pour simuler ces phases ‘’rotateurs’’, constatant que le modèle Williams des années 1960 était en avance sur son temps. Initialement peu pratique en raison d'un manque de puissance de calcul, il peut maintenant connaître une renaissance pour la simulation moderne de la dynamique moléculaire. Avec notre modèle nouvellement optimisé, nous visons à étudier la phase rotateur de l'hexadécane, trouvé dans l'huile, qui est difficile à observer expérimentalement en raison de sa nature instable."

Applications du monde réel

Comme des cires, les huiles telles que le carburant diesel peuvent également geler à de nombreux stades et présenter différentes propriétés solides. Par conséquent, des méthodes pour prédire les complexités moléculaires et atomiques des transitions liquides vers différents types d'huiles « solides » pourraient avoir plusieurs applications potentielles dans le monde réel, d'aider à mieux prévoir le gel des oléoducs (et à prévenir les déversements de pétrole), pour développer une meilleure isolation et un meilleur stockage d'énergie intelligents.

Comprendre les transitions solides dans la cire pourrait également conduire à des polymères plus résistants que l'acier, et aider les chercheurs à améliorer la compréhension des processus nouvellement découverts comme la morphogenèse artificielle. Ceux-ci pourraient permettre des processus de fabrication plus écologiques afin que nous puissions « faire pousser » la matière telle qu'elle est vue dans la nature, réduire les produits secondaires ou les déchets.

Dr Stoyan Smoukov, Lecteur en génie chimique à Queen Mary, a déclaré:"Être capable de prédire le comportement de transformation des huiles nous aiderait dans notre quête pour développer des processus de fabrication durables pour l'avenir. La microfabrication lithographique habituelle est comme la sculpture, découpage/ciselage d'une plaque de marbre, générant beaucoup de déchets. Dans notre subvention actuelle, nous utilisons de nouveaux procédés pour auto-former les gouttelettes et utilisons près de 100 % du matériau de départ pour littéralement faire croître des particules en forme. »

« Le processus est hautement évolutif car chaque goutte se forme en raison des transitions de phase internes. Une production efficace de telles particules pourrait révolutionner les industries de l'impression à jet d'encre à l'administration de médicaments. Et les outils de modélisation que nous avons développés nous aideront à régler ce contrôle à l'échelle moléculaire. ."