Image de diffraction des rayons X synchrotron (à gauche) et instantané de simulation de dynamique moléculaire ab initio (à droite) du gallium liquide à haute pression. Crédit :Université de Bristol
Les métaux et alliages liquides ont des propriétés exceptionnelles qui les rendent adaptés aux applications de stockage et de production d'énergie électrique.
Les métaux liquides à base de gallium à bas point de fusion sont utilisés comme fluides d'échange thermique pour le refroidissement de l'électronique intégrée et dans la fabrication de dispositifs électroniques flexibles et reconfigurables et de robotique souple.
Le gallium est un métal énigmatique doté de caractéristiques physiques remarquables, notamment un point de fusion anormalement bas juste au-dessus de la température ambiante, l'une des plus grandes gammes de liquides de tous les éléments, et une contraction de volume à la fusion similaire à celle observée pour l'eau.
Contrairement aux arrangements périodiques réguliers des atomes dans les solides cristallins, l'état liquide est caractéristiquement désordonné. Les liquides peuvent s'écouler et leurs atomes se déplacent de manière chaotique comme dans un gaz.
Cependant, contrairement à un gaz, les fortes forces de cohésion dans les liquides produisent un degré d'ordre à l'échelle locale. Comprendre comment cet ordre change à hautes pressions et températures est important pour le développement de matériaux avec de nouvelles propriétés physiques ou pour fonctionner dans des conditions extrêmes et est essentiel pour comprendre les processus dans les intérieurs terrestres et exoplanétaires profonds, telles que la formation de noyaux métalliques et la génération de champ magnétique.
Instantané de simulation de gallium liquide à 30 GPa et 1000 K avec des atomes de gallium représentés par de petites sphères grises. Régions d'entropie configurationnelle exceptionnellement faible peuplées exclusivement d'amas d'atomes de Ga à symétrie quintuple (10B, sphères orange) et cristalline (11F, sphères bleues) peuvent aider à stabiliser la phase vitreuse en dessous du point de fusion à haute pression. Des liaisons colorées mettent en évidence des anneaux dans les deux motifs structuraux :pentagones pour 10B, triangles et carrés pour 11F. Crédit :Université de Bristol
Dans une nouvelle étude menée par des scientifiques de l'Université de Bristol, et publié dans la revue Lettres d'examen physique , mesures de diffraction des rayons X synchrotron in situ effectuées à Diamond Light Source, UK de la courbe de fusion, densité, et la structure du gallium liquide sont signalées à des pressions allant jusqu'à 26 GPa en utilisant une cellule à enclume en diamant chauffée par résistance pour générer ces conditions extrêmes.
Les résultats de simulations ab initio de Dynamique Moléculaire, exécuté sur le supercalculateur "BlueCrystal phase 4" du centre de recherche en informatique avancée de l'Université de Bristol, sont en excellent accord avec les mesures expérimentales.
Des études antérieures prédisent que les structures liquides du gallium et d'autres métaux se développent à partir de configurations complexes avec de faibles nombres de coordination à pression ambiante jusqu'à des arrangements simples de « sphère dure » à haute pression.
Cependant, en utilisant l'analyse topologique des clusters, les chercheurs ont trouvé un écart significatif par rapport à ce modèle simple :même à des pressions extrêmes, l'ordre local dans le gallium liquide est maintenu, avec la formation de régions de faible entropie locale contenant des motifs structuraux avec une symétrie quintuple et un ordre cristallin.
L'auteur principal, le Dr James Drewitt de l'École des sciences de la Terre de l'Université de Bristol, a déclaré :« Cette émergence étonnamment inattendue de motifs à faible entropie configurationnelle dans le gallium liquide à haute pression fournit potentiellement un mécanisme pour la promotion de phases vitreuses métastables en dessous de la courbe de fusion.
"Cela ouvre une nouvelle voie de recherche pour de futures études expérimentales et théoriques afin d'explorer les fusions trempées à température rapide à haute pression conduisant à la production de nouveaux matériaux de verre métallique."
