Les transitions de phase nous entourent, par exemple, l'eau liquide se transforme en glace lorsqu'elle est congelée et en vapeur lorsqu'elle est bouillie. Maintenant, des chercheurs de la Carnegie Institution for Science ont découvert un nouveau phénomène de métastabilité en phase liquide. Un liquide métastable n'est pas tout à fait stable. Cet état est courant dans les liquides surfondus, qui sont des liquides qui refroidissent en dessous du point de congélation sans se transformer en solide ou en cristal. Maintenant, les scientifiques rapportent la première preuve expérimentale de la création d'un liquide métastable directement par l'approche opposée :faire fondre un cristal solide à haute pression du bismuth métallique via un processus de décompression en dessous de son point de fusion.

Les résultats, rapporté le 23 janvier 2017, problème de Communication Nature , pourrait être important pour développer de nouveaux matériaux et pour comprendre la dynamique des intérieurs planétaires, comme les tremblements de terre, car un liquide métastable pourrait agir comme un lubrifiant affectant fortement la dynamique de l'intérieur de la Terre.

« Les transitions de phase se présentent sous deux saveurs de base, '", a expliqué le co-auteur de Carnegie, Guoyin Shen, directeur de l'équipe d'accès collaboratif haute pression à la source avancée de photons. « Dans un genre, les liaisons chimiques ne se rompent pas lorsque le matériau passe d'une phase à une autre. Mais ils changent d'orientation et de longueur de manière ordonnée. L'autre, appelé transition de phase reconstructive, est plus chaotique, mais le plus répandu dans la nature et l'objet de cette étude. Dans ces transitions, des parties des liaisons chimiques sont rompues et la structure change de manière significative lorsqu'elle entre dans une nouvelle phase."

La pression peut être utilisée pour changer la phase d'un matériau en plus du chauffage et du refroidissement. Les scientifiques ont mis une forme de bismuth cristallin dans une cellule à enclume de diamant induisant une pression, et l'a soumis à des pressions et décompression allant de 32, 000 fois la pression atmosphérique (3,2 GPa) à 12, 000 atmosphères (1,2 GPa) à une température de 420 ° F (489 K). Sous décompression uniquement, vers 23 ans, 000 atmosphères, le bismuth se fond dans un liquide. Puis à 12h, 000 atmosphères il recristallise.

"La richesse en structure cristalline du bismuth est particulièrement utile pour observer les changements dans la structure d'un matériau, " a fait remarquer l'auteur principal Chuanlong Lin.

Les chercheurs ont imagé les changements à l'aide d'une technique appelée diffraction des rayons X, qui utilise des rayons X d'énergie beaucoup plus élevée que ceux que nous utilisons pour l'imagerie médicale et peut donc discerner la structure au niveau atomique. Ils ont mené cinq séries d'expériences de compression/décompression différentes.

"Le bismuth présentait un liquide métastable dans le processus de transitions de phase solide-solide sous décompression à environ 23, 000 à 15, 000 atmosphères, " dit Lin.

Les scientifiques ont également découvert que l'état métastable peut durer des heures en dessous du point de fusion dans des conditions statiques. De façon intéressante, le liquide métastable produit par décompression s'est produit dans une plage de pression-température similaire à celle où le bismuth surfondu est produit.

« Parce que les transitions de phase reconstructives sont le type le plus fondamental, cette recherche offre une toute nouvelle façon de comprendre comment les différents matériaux changent, " a déclaré Shen. "Il est possible que d'autres matériaux présentent un liquide métastable similaire lorsqu'ils subissent des transitions reconstructives et que ce phénomène soit plus répandu que nous le pensions. Les résultats conduiront sans aucun doute à d'innombrables surprises à la fois en science des matériaux et en science planétaire dans les années à venir. »