Après des recherches approfondies, des scientifiques du Département de chimie de l'Université d'Oxford ont trouvé des preuves expérimentales qui jettent un nouvel éclairage sur la fusion de substances bidimensionnelles. Les résultats de l'étude pourraient être utilisés pour soutenir les améliorations technologiques des matériaux à couche mince tels que le graphène.

Des chercheurs du groupe du professeur Roel Dullens du département de chimie d'Oxford ont élucidé expérimentalement comment se produit la fusion d'un solide bidimensionnel de sphères dures. Avec ce travail, ils résolvent l'un des problèmes les plus fondamentalement importants mais toujours en suspens de la science de la matière condensée. En outre, ces résultats constituent la pierre angulaire de la compréhension et du développement des matériaux bidimensionnels.

Fusion, la transition de phase dans laquelle une substance passe d'un solide à un liquide, est largement compris en termes de base. Mais en dépit d'être rencontrés régulièrement dans la vie quotidienne, (que ce soit sur le lieu de travail, la maison ou le monde naturel), les scientifiques tentent depuis longtemps de comprendre le processus de fusion à un niveau fondamental.

La fusion d'un solide en un liquide est l'un des phénomènes scientifiques les plus connus. Cependant, comprendre cette transformation est particulièrement mystérieux pour les solides en deux dimensions. Ici, la célèbre théorie de Kosterlitz-Thouless-Halperin-Nelson-Young (KTHNY) propose qu'un intermédiaire, état partiellement désordonné, appelé « hexatique », existe entre le solide et le liquide. Un effort substantiel a été fait pour comprendre ces transitions « topologiques », pour lequel Kosterlitz et Thouless ont reçu le prix Nobel de physique 2016. Pourtant, pour le système d'interaction le plus simple de nombreuses particules, sphères dures bidimensionnelles, il y a eu un manque de consensus étonnant malgré les premières simulations réalisées il y a plus de 60 ans.

Le Dr Alice Thorneywork et ses collaborateurs ont utilisé la microscopie optique pour étudier des monocouches de sphères dures modèles colloïdales (voir encadré 2) inclinées d'un petit angle pour introduire un gradient dans la concentration des particules. Pour les sphères dures, le comportement n'est régi que par cette concentration, qui leur a permis d'identifier et de caractériser le liquide, hexatique, et les états solides et la nature des transitions entre eux dans une seule expérience. Les résultats montrent que la fusion se produit via une transition solide-hexatique continue suivie d'une transition hexatique-liquide du premier ordre.