En observant une masse d'alliage métallique se solidifiant dans une mer de métal liquide, l'équipe a pu observer un phénomène intéressant, jamais vu auparavant :le métal de surface passe d'un état solide à un état liquide et vice-versa.

Contrairement à ce que l'on appelle la pré-fusion, ce phénomène s'est produit à des températures étonnamment basses, bien en dessous de la température de fusion du métal solide (par exemple, 200°C en dessous du liquidus).

Le phénomène se produit également à une profondeur beaucoup plus grande que prévu dans le métal solide, jusqu'à 100 atomes de profondeur, et s'est poursuivi pendant plusieurs jours.

En plus d’être une nouvelle découverte fondamentale passionnante sur la chimie des métaux solides et liquides, elle pourrait éventuellement être appliquée partout où des alliages métalliques sont utilisés. L'étude est publiée dans Advanced Science .

Observer les métaux en mouvement

Dans la configuration expérimentale, une masse d'alliage métallique solide (cristallin) se forme (ou précipite à partir) d'un océan environnant de métal liquide, un processus courant dans la synthèse d'alliages métalliques.

Par exemple, une pépite d'alliage gallium-cuivre pourrait précipiter et croître dans une mer de gallium liquide lorsqu'elle refroidit à température ambiante, légèrement en dessous de la température de fusion du gallium (30°C), mais bien en dessous de la température de fusion du Cu-. Alliage Ga (256°C).

(Le phénomène de surface fluctuante récemment observé s'est produit dans tous les systèmes métalliques testés par l'équipe RMIT, mais est particulièrement bien défini dans le système cuivre-gallium.)

Malgré l'omniprésence du processus d'alliage de métal liquide, on sait étonnamment peu de choses sur la chimie de surface cruciale du processus, en raison de la nature opaque du bain de métal liquide.

Pour résoudre ce défi, l'équipe du RMIT a directement imagé les phénomènes de surface de la masse gallium-cuivre à l'aide d'un microscope électronique à transmission (TEM), qui permet la pénétration du bain de métal liquide, et des résolutions allant jusqu'à l'échelle nanométrique.

À cette échelle, la surface de l'alliage solide peut fluctuer entre la phase solide et la phase liquide, à une vitesse de plusieurs fois par seconde, et jusqu'à une profondeur d'environ 10 nm, soit 50 à 100 atomes.

"Cette fluctuation de la surface du métal solide entre les phases solide et liquide était complètement inattendue", explique l'auteur principal Caiden Parker, "car l'ensemble du système était maintenu proche de la température ambiante."

"L'océan de gallium liquide était de plus de 200°C plus froid que le point de fusion de l'alliage Cu-Ga. Il n'y aurait eu aucune raison possible pour que sa surface revienne à sa forme liquide", explique Caiden, titulaire d'un doctorat en FLOTTE. D. candidat au RMIT.

Dans la vidéo, l’alliage cristallin Cu-Ga est identifiable grâce à la structure de réseau régulière, qui apparaît sous forme de rayures diagonales. La zone grise environnante est du gallium liquide et non de l'espace vide.

Évasion et recapture :une vision moléculaire de la frontière fluctuante

"Les couches externes d'un alliage métallique solide sont étonnamment instables lorsqu'elles sont placées dans un environnement liquide-métal, à une profondeur de plusieurs nanomètres, fluctuant entre les états cristallin et liquide", explique le chef d'équipe et auteur correspondant, le professeur Torben Daeneke (également au RMIT) .

Cette liquéfaction de l'interface cristalline est observée à des températures remarquablement basses (200°C en dessous du point de fusion du solide), différenciant le phénomène de liquéfaction observé d'autres processus tels que la pré-fusion de surface ou la fusion en masse conventionnelle.

L'interface cristalline hautement instable est observée dans une variété de systèmes d'alliages binaires et, en tant que tel, les résultats peuvent avoir un impact sur la compréhension des processus de cristallisation et de solidification dans les systèmes métalliques et les alliages en général.

La structure cristalline contient à la fois des atomes métalliques « solutés » (c'est-à-dire du cuivre) et des atomes métalliques « solvants » (gallium), formant ainsi un composé (CuGa₂ ). Le processus de liquéfaction de surface commence par la perte d'une partie des atomes de métal solvant dans le liquide environnant.

Les chercheurs ont mené une modélisation dynamique moléculaire afin de comprendre la fluidisation de surface observée.

La modélisation révèle qu'à la surface liquide-solide, certains atomes de solvant (gallium) s'échapperont de la structure solide car cette fuite est énergétiquement similaire au fait de rester en place, c'est-à-dire qu'une proportion d'atomes de Ga à la surface possède suffisamment d'énergie pour s'échapper du réseau cristallin. .

Cette « fuite » d'atomes crée une vacance à la surface, créant finalement une instabilité qui conduit à l'effondrement du réseau, provoquant le retrait de la frontière liquide-solide vers l'intérieur, dans le solide.

Suite à cela, le liquide devient sursaturé en soluté (cuivre), forçant le liquide environnant à se relier au réseau cristallin. Cela fait avancer à nouveau la frontière liquide-solide vers l'extérieur, pour revenir dans le liquide.

Le résultat est que la frontière liquide-solide oscille d'avant en arrière sur un laps de temps d'environ une demi-seconde.

Dans la vidéo du modèle moléculaire, les atomes de gallium sont représentés en deux couleurs :les sphères grises représentent les atomes de gallium qui commencent la période modélisée en étant liés dans le CuGa₂ réseau cristallin. Les sphères gris foncé représentent les atomes de gallium qui commencent la période modélisée en se déplaçant librement dans l'océan liquide environnant.

La vidéo montre une fraction de nanoseconde au cours de la première phase du processus, lorsque la frontière se déplace vers l'intérieur alors que les atomes liés aux cristaux s'échappent pour rejoindre le liquide environnant.

Pendant l'exécution du modèle, les atomes gris (c'est-à-dire les atomes de gallium initialement liés) s'échappent du réseau cristallin pour flotter dans un océan de gris foncé (le gallium liquide environnant). Après un court instant (quelques centaines de picosecondes), les atomes violets (c'est-à-dire les atomes de cuivre) commencent également à se déloger du réseau.

Opportunités de recherches plus approfondies et d'applications futures passionnantes

"Nous espérons que cette découverte ouvrira une nouvelle compréhension du comportement des métaux, pour créer de nouvelles opportunités de recherche, des applications dans de nouveaux processus d'alliage, des soudures et des processus améliorés de fabrication additive (impression 3D).

La cristallisation des alliages à l'état fondu est un processus métallurgique fondamental, et les auteurs pensent que la fluctuation solide-liquide de la surface du cristal se produira à chaque fois que la cristallisation se produira.

"C'est pourquoi c'est si excitant", déclare Torben. "Le processus d'alliage est si répandu et si important dans la création des matériaux qui soutiennent l'industrie moderne, et pourtant personne ne savait que cela se produisait. Maintenant que nous avons découvert que cette fluctuation se produit à la surface des alliages solides au fur et à mesure de leur formation, d'autres chercheurs en chimie des métaux vont vouloir approfondir cela."

Et grâce à une meilleure compréhension fondamentale du processus de cristallisation des alliages, il est fort probable que ce phénomène récemment découvert trouvera une application.

Le processus de solidification dans la synthèse des alliages métalliques est crucial, dictant les propriétés physiques, chimiques et mécaniques finales, toutes profondément influencées par la structure cristalline finale, la taille et la forme.

"Nous ne pouvons pas encore savoir à quelles applications cela pourrait aboutir", déclare Caiden. "Nous ne savons pas si quelqu'un utilisera ces nouvelles connaissances pour synthétiser des alliages améliorés, ou pour réduire la consommation d'énergie dans la création d'alliages, ou qui sait quoi."