La neige tombe en hiver et fond au printemps, mais qu'est-ce qui entraîne le changement de phase entre les deux ?
Bien que la fusion soit un phénomène familier rencontré dans la vie quotidienne, intervenant dans de nombreux processus industriels et commerciaux, il reste beaucoup à découvrir sur cette transformation à un niveau fondamental.
En 2015, une équipe dirigée par Sharon Glotzer de l'Université du Michigan a utilisé le calcul haute performance au laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'énergie (DOE) pour étudier la fusion dans des systèmes bidimensionnels (2-D), un problème qui pourrait donner un aperçu des interactions de surface dans les matériaux importants pour les technologies comme les panneaux solaires, ainsi que dans le mécanisme de la fusion tridimensionnelle. L'équipe a exploré comment la forme des particules affecte la physique d'une transition de fusion solide-fluide en deux dimensions.
À l'aide du supercalculateur Cray XK7 Titan de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), une installation utilisateur du DOE Office of Science, les travaux de l'équipe ont révélé que la forme et la symétrie des particules peuvent considérablement affecter le processus de fusion. Cette découverte fondamentale pourrait aider à guider les chercheurs à la recherche de nanoparticules aux propriétés souhaitables pour les applications énergétiques.
Pour s'attaquer au problème, L'équipe de Glotzer avait besoin d'un superordinateur capable de simuler des systèmes jusqu'à 1 million de polygones durs, particules simples utilisées comme substituts d'atomes, allant des triangles aux formes à 14 côtés. Contrairement aux simulations de dynamique moléculaire traditionnelles qui tentent d'imiter la nature, les simulations de polygones durs offrent aux chercheurs un environnement épuré dans lequel évaluer la physique influencée par la forme.
"Dans notre environnement 2D simulé, nous avons constaté que la transition de fusion suit l'un des trois scénarios différents en fonction de la forme des polygones des systèmes, " Le chercheur de l'Université du Michigan, Joshua Anderson, a déclaré. " Notamment, nous avons constaté que les systèmes constitués d'hexagones suivent parfaitement une théorie bien connue de la fusion 2D, quelque chose qui n'a pas été décrit jusqu'à présent."
Scénarios de forme changeante
Dans les systèmes 3-D tels qu'un glaçon éclaircissant, la fusion prend la forme d'une transition de phase du premier ordre. Cela signifie que des collections de molécules au sein de ces systèmes existent sous forme solide ou liquide sans intermédiaire en présence de chaleur latente, l'énergie qui alimente un changement de phase solide à fluide. Dans les systèmes 2D, tels que les matériaux à couche mince utilisés dans les batteries et d'autres technologies, la fusion peut être plus complexe, présentant parfois une phase intermédiaire dite phase hexatique.
La phase hexatique, un état caractérisé comme un point intermédiaire entre un solide ordonné et un liquide désordonné, a été théorisé pour la première fois dans les années 1970 par les chercheurs John Kosterlitz, David Thouless, Burt Halperin, David Nelson, et Peter Young. La phase est une caractéristique principale de la théorie KTHNY, une théorie de fusion 2D avancée par les chercheurs (et nommée en fonction des premières lettres de leur nom de famille). En 2016, Kosterlitz et Thouless ont reçu le prix Nobel de physique, avec le physicien Duncan Haldane, pour leurs contributions à la recherche sur les matériaux 2D.
