L'origine de SiO
Tout le monde sait que l'eau gèle à 0°C. La vie sur Terre serait très différente s'il n'en était pas ainsi. Cependant, cousin de l'eau, silice, présente un comportement capricieux lorsqu'il est refroidi, ce qui a longtemps intrigué les scientifiques.
Contrairement à l'eau, silice (SiO
La préférence de la silice pour la formation du verre a des conséquences majeures, car il fait partie des composés les plus abondants sur Terre. À certains égards, la silice et l'eau sont semblables - elles ont des géométries de coordination similaires avec une symétrie tétraédrique, et les deux affichent une tendance inhabituelle à devenir moins dense en dessous d'une certaine température lors du refroidissement, mais plus fluide lors de la mise sous pression. Ils présentent même des structures cristallines analogues lorsque la silice peut être amenée à geler.
Récemment, Des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo ont découvert des indices essentiels sur les raisons pour lesquelles l'eau et la silice divergent si fortement lorsqu'elles deviennent froides. Dans une étude publiée dans PNAS , leurs simulations ont révélé l'influence de la disposition symétrique locale des atomes à l'état liquide sur la cristallisation. Il s'avère que les atomes s'arrangent correctement dans l'eau mais pas dans la silice.
Lorsque les liquides refroidissent, l'ordre émerge du hasard, au fur et à mesure que les atomes s'assemblent en motifs. Du point de vue de tout atome individuel, une série de coquilles concentriques apparaît alors que ses voisins se rassemblent. Dans l'eau et la silice, la première couche (autour de chaque atome d'O ou de Si, respectivement) est de forme tétraédrique - un cas d'ordre orientationnel, ou « brisure de symétrie ». La principale différence est la deuxième structure de coque. Pour l'eau, il est toujours arrangé correctement avec l'ordre d'orientation, mais pour la silice, la deuxième coque est étalée au hasard avec peu d'ordre d'orientation.
"Dans l'eau, les structures localement ordonnées sont des précurseurs de la glace; C'est, cristaux tétraédriques de H2O, " explique le co-auteur Rui Shi. " L'ordre d'orientation, ou brisure de symétrie de rotation, à l'état liquide explique pourquoi l'eau gèle si facilement. Dans la silice surfondue, cependant, l'absence d'ordre orientationnel empêche la cristallisation, résultant en une formation de verre facile. En d'autres termes, la symétrie de rotation est plus difficile à briser dans la structure liquide de la silice, et avec moins d'ordre d'orientation."
Les chercheurs expliquent cette différence en comparant la liaison dans les deux substances. L'eau est constituée de molécules H2O individuelles, maintenus ensemble par des liaisons covalentes fortes mais interagissant via des liaisons hydrogène plus faibles. La structure moléculaire stable de l'eau restreint la liberté des atomes, résultant en un ordre d'orientation élevé dans l'eau. Silice, cependant, n'a pas de forme moléculaire, et les atomes sont en conséquence liés d'une manière moins directionnelle, conduisant à un mauvais ordre d'orientation.
"Nous avons montré que les différences macroscopiques entre l'eau et la silice trouvent leur origine dans le monde microscopique du collage, " auteur correspondant Hajime Tanaka dit. "Nous espérons étendre ce principe à d'autres substances, tels que le carbone liquide et le silicium, qui sont structurellement similaires à l'eau et à la silice. Le but ultime est de développer une théorie générale de la façon dont les formateurs de verre diffèrent des formateurs de cristal, ce qui a échappé aux scientifiques jusqu'à présent."
