(Phys.org)—Les transitions de phase sont des transformations qui se produisent entre les états de la matière—c'est-à-dire entre solide, liquide, gaz, et moins fréquemment entre le gaz et le plasma. Ce qui peut être surprenant, c'est que les transitions de phase solide-solide, indispensables en métallurgie, céramique, sciences de la Terre, matériaux reconfigurables, et la matière colloïdale, sont les plus commun. (Les exemples de transitions de phase solide-solide comprennent les transformations entre les trois états cristallins primaires du fer pur et les suspensions colloïdales anisotropes auto-organisées, c'est-à-dire suspensions colloïdales ayant des propriétés différentes selon des axes différents.) Malgré leur ubiquité, cependant, les contextes de haute pression et/ou de température élevée et la nécessité d'utiliser une technologie d'imagerie à haute résolution ont rendu l'étude des états transformationnels intermédiaires de transition de phase solide-solide considérablement difficile. Récemment, des scientifiques de l'Université du Michigan ont conçu des modèles informatiques démontrant des transitions de phase solide-solide basées sur les changements de forme des particules colloïdales comme variable de contrôle, signalant à la fois des transitions discontinues et continues (c. ceux qui nécessitent et ne nécessitent pas d'activation thermique, respectivement). Les chercheurs déclarent qu'en établissant une nouvelle méthode pour étudier les transitions de phase solide-solide, leurs modèles peuvent prendre en charge la conception et la génération de matériaux colloïdaux reconfigurables.

Le doctorant Chrisy Xiyu Du et le professeur Greg van Anders ont discuté de l'article qu'ils, Dr Richmond S. Newman, et Prof. Sharon C. Glotzer, et leurs co-auteurs publiés dans Actes de l'Académie nationale des sciences avec Phys.org . Décrire les principaux défis dans la conception de modèles qui capturent la thermodynamique de transition de phase solide-solide et déterminer qu'une barrière d'activation thermique n'est pas universellement requise dans les transitions solide-solide, van Anders raconte Phys.org que « les transitions solide-solide sont importantes en technologie depuis des milliers d'années. depuis le début de l'âge du fer et sont également importants dans les processus géologiques. De plus, " il ajoute, « le modèle de brisure de symétrie qui existe dans les solides signifie que ces transitions ne sont pas seulement importantes sur le plan technologique, mais qu'il y en a beaucoup. Le problème pour comprendre les transitions est qu'elles se produisent généralement dans des conditions extrêmes (température ou pression élevées), ce qui les rend difficiles à étudier."

Avant leur étude, Du dit, aucun autre article n'a fait une étude approfondie de la thermodynamique pour les transitions colloïdales solide-solide. "Ce vide dans les connaissances signifiait que quels que soient les résultats que nous avons trouvés, nous devions effectuer suffisamment de validation pour nous convaincre que nous n'observions pas d'artefacts de nos simulations. des structures cristallines colloïdales allant de la phase cubique à faces centrées basique et omniprésente aux phases compliquées telles que les clathrates.

Un autre défi consistait à trouver des paramètres d'ordre ayant un comportement signal/bruit approprié - une préoccupation particulière, van Anders fait remarquer, parce que les systèmes qu'ils ont étudiés sont stabilisés entropiquement (c'est-à-dire les fluctuations thermiques sont fondamentalement impliquées dans le comportement du système, mais peut compliquer les mesures des paramètres de commande). « Equilibrer ces effets et vérifier que le comportement que nous avons observé n'était pas un artefact de notre paramétrage a nécessité un effort substantiel. »

Du note que si l'étude de la thermodynamique de deux phases stables individuellement est simple, les comparaisons simultanées sont difficiles. « En raison de la courte période de temps et de la faible probabilité que le système soit dans un état de transition, nous avons dû appliquer des forces de biais pour l'étudier. En plus de trouver le bon paramètre d'ordre pour distinguer différentes phases cristallines - un défi en soi - nous avons soigneusement réglé la force des intervalles d'échantillonnage de la force de polarisation pour réduire le bruit, parvenant ainsi à une conclusion statistiquement significative."

Relever ces défis, van Anders explique, impliquait de mesurer le changement dans l'environnement du plus proche voisin pour les particules avant et après la transition, qui est généralement caractérisé par polyèdres de coordination qui fournissent une division géométrique des environnements locaux. "Nous avons réalisé que si nous pouvions proposer des systèmes dans lesquels il est possible de manipuler directement les polyèdres de coordination, il pourrait être possible d'avoir des transitions solide-solide qui se produisent dans des conditions moins extrêmes. Pour faire ça, nous avons réalisé que dans les suspensions de nanoparticules colloïdales de forme anisotrope, il est possible de manipuler la forme des particules, qui à son tour pourrait permettre de contrôler la forme des polyèdres de coordination dans le cristal. » La modification de la forme du colloïde permet des transitions solide-solide dans les simulations qui imitent les conditions normales de laboratoire.

Du décrit deux clés, aperçus antérieurs utilisés dans ce travail:l'entropie peut conduire à l'ordre, et les formes de particules peuvent être incluses en tant que variable thermodynamique similaire à la température ou à la pression. « Dans notre travail, nous avons combiné ces deux idées et étendu l'étude des transitions de phase solide-solide pour inclure les propriétés des blocs de construction telles que la forme. Quant aux difficultés techniques, nous avons cherché dans la littérature pour sélectionner un paramètre de bon ordre pour distinguer différentes structures cristallines, puis l'ont adapté pour répondre à nos besoins. » Les scientifiques ont également étendu l'ensemble statistique NVT (ou canonique) - une température constante, ensemble à volume constant - dans HOOMD-blue (une boîte à outils de simulation de particules à usage général) pour mieux réduire le bruit dans leurs simulations.

"Notre travail a deux séries d'implications, " van Anders raconte Phys.org . "Premièrement, nous avons montré qu'il est simple de construire des modèles minimaux de transitions solide-solide qui se produisent dans des systèmes qui peuvent être étudiés en temps réel, Facile, expériences sur table utilisant la microscopie optique. Cela devrait nous donner de nouvelles façons d'obtenir un aperçu détaillé de la façon dont les transitions solide-solide se produisent. Deuxièmement, nous avons démontré que les transitions solide-solide entraînées par le changement de forme se produisent sur des échelles de temps suffisamment brèves, leur permettant d'être utilisés pour fabriquer des matériaux reconfigurables."

Du raconte Phys.org que dans certains cas, avec un changement de forme approprié, il est possible de trouver des transitions solide-solide qui se produisent sur des échelles de temps de simulation Monte Carlo qui sont comparables ou plus courtes que les échelles de temps pour l'auto-assemblage de la phase solide pertinente à partir d'une phase dense, fluide désordonné. Cette trouvaille, Du ajoute, donne une preuve supplémentaire que la matière colloïdale fournit une voie potentielle pour le développement de matériaux reconfigurables. "Avec le développement récent de matériaux colloïdaux à changement de forme, notre travail peut être un bon guide théorique pour les expérimentateurs :lorsqu'ils essaient d'utiliser des particules à changement de forme pour fabriquer des matériaux reconfigurables, notre travail peut potentiellement expliquer certains des comportements de phase qu'ils pourraient observer."

"Nos résultats fournissent également des critères de conception pour sélectionner les formes des particules et leurs transformations pour obtenir une reconfiguration douce ou abrupte, selon l'application envisagée, " ajoute l'auteur principal, la professeure Sharon Glotzer. " De plus, et encore plus excitant, nous comprenons maintenant comment concevoir de manière inverse des formes de particules pour des transitions solides-solides ciblées."

Concernant les prochaines étapes, les chercheurs ont l'intention de comprendre des types de transitions autres que ceux rapportés dans cet article. Quant aux autres domaines de recherche qui pourraient bénéficier de leur étude, van Anders dit que les applications possibles incluent le développement de matériaux reconfigurables, et une meilleure compréhension des transitions solide-solide dans les systèmes atomiques.

"L'objectif de notre travail était d'obtenir une compréhension détaillée de la thermodynamique des transitions que nous avons étudiées, " conclut van Anders. " En allant de l'avant, la possibilité d'étudier les transitions solide-solide induites par la forme avec la microscopie optique ouvre la possibilité d'obtenir des informations très détaillées, des informations au niveau des particules sur la cinétique de transformation."

© 2017 Phys.org