Dans le domaine de la science des matériaux, comprendre la solidification des matériaux est crucial pour diverses applications, telles que la production de verre, le travail des métaux et la croissance des cristaux. Une étude récente a mis en lumière une observation fondamentale dans ce domaine :les minuscules gouttelettes de métal mettent plus de temps à se solidifier en verre que leurs homologues plus grosses. Ce phénomène, connu sous le nom de comportement de solidification dépendant de la taille, a des implications importantes pour la conception et le traitement de matériaux avancés.

L'équipe de recherche, dirigée par des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT), a mené des expériences en utilisant des gouttelettes de métal liquide à base de gallium. En contrôlant avec précision la taille des gouttelettes et en mesurant leur temps de solidification, ils ont observé que les plus petites gouttelettes se solidifiaient à des vitesses nettement plus lentes que les plus grosses gouttelettes. Ce comportement a été attribué aux effets de surface qui deviennent plus importants à mesure que la taille des gouttelettes diminue.

Dans les gouttelettes plus petites, le rapport surface/volume augmente, conduisant à une énergie de surface plus élevée. Cet excès d’énergie agit comme une barrière, empêchant la nucléation et la croissance des structures cristallines au sein de la gouttelette. En conséquence, l’état liquide est plus stable et le processus de solidification est retardé.

Les chercheurs ont également découvert que le comportement de solidification des gouttelettes est influencé par la vitesse de refroidissement. Dans des conditions de refroidissement rapide, les gouttelettes ont tendance à former un état vitreux, dépourvues de l’ordre des cristaux à longue distance. En effet, le refroidissement rapide empêche les atomes de se réorganiser en structures ordonnées, ce qui entraîne un état liquide gelé.

D’un autre côté, des vitesses de refroidissement plus lentes laissent aux gouttelettes suffisamment de temps pour surmonter la barrière énergétique de surface et nucléer les structures cristallines. Cela conduit à la formation d’une structure polycristalline, caractérisée par la présence de multiples petits cristaux au sein de la gouttelette solidifiée.

Les résultats de cette étude fournissent des informations précieuses sur le comportement de solidification des matériaux en fonction de la taille. En comprenant et en contrôlant ces effets, les scientifiques peuvent adapter les propriétés et les structures des matériaux à l'échelle nanométrique, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour la conception de matériaux et de matériaux fonctionnels avancés.