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Pour la première fois en laboratoire, un solide a été transformé en liquide alors qu’il était sous son point de congélation

24 Jan 2017 | 5 commentaires

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Pour rappel, le point de fusion peut être atteint par la combinaison de deux facteurs : la température et la pression environnante qui permettent à un solide de se transformer en liquide. L’un de ses plus simples exemples est la glace d’eau, qui se forme à une température de 0 °C, aux pressions d’air que nous éprouvons. Mais, mis à part en changeant la température, vous pouvez également provoquer la fonte de certains matériaux en abaissant la pression l’environnant.

C’est ce qui a été réalisé au Washington Geophysical Laboratory de la Carnegie Institution. Il est assez facile de refroidir les liquides sous leur point de congélation et de les garder à l’état liquide. Mais dans une récente démonstration, les chercheurs ont fait passer du bismuth à l’état solide, en dessous de son point de congélation, à son état liquide, représentant une première pour un solide sur Terre et il pourrait nous aider à mieux comprendre les processus les plus fondamentaux de ces transitions de phase.

L’équipe du Washington Geophysical Laboratory a placé un morceau de cristal de bismuth  (un exemplaire en image d’entête sous sa forme cristalline et de métal, Alchemist-hp/Wikimedia) dans une cellule à enclume de diamant ce qui leur a permis de le soumettre à des pressions et à une décompression allant de 32 000 fois la pression atmosphérique (3,2 GPa) à 12 000 atmosphères (1,2 GPa) à une température de 216 °C (489 Kelvin). Cette température est importante, car le point de fusion du bismuth est de 271,52 °C (544,67 K), ce qui signifie qu’à des températures inférieures à ce point, le métal doit rester solide. Une fois que l’équipe a soumis leur bismuth à 32 000 atmosphères, ils ont lentement commencé à le décompresser. A 23 000 atmosphères, il a commencé à fondre en un liquide métastable* et il est resté dans cet état jusqu’à 15 000 atmosphères. Au-dessous de 15 000 atmosphères, le métal a commencé à se recristalliser, et une fois qu’il a atteint les 12 000 atmosphères, il s’est transformé en un solide sans aucun changement de température.

*Contrairement aux transitions de phase simples basées sur des liaisons chimiques intactes, si vous perturbez un liquide métastable (transitions reconstructives), il se transforme rapidement dans la phase qu’il est “supposé” avoir.

Image tirée de l’étude : Bismuth solide à 32 000 atmosphères (à droite), bismuth liquéfié à 23 000 atmosphères (milieu) et bismuth recristallisé à 12 000 atmosphères (à gauche). (Chuanlong Lin et Guoyin Shen/ Carnegie Institution)
Fonte solide

Les chercheurs précisent que c’est une assez bonne indication que ce phénomène est plus commun dans la nature que nous le pensions. Et maintenant que nous avons la première preuve que cela peut effectivement se produire, nous saurons ce qu’il faut rechercher/ nous attendre à voir dans d’autres étranges substances, sur Terre et au-delà, et cela pourrait nous aider à produire des formes de la matière que nous n’avons même pas encore imaginées.

Selon les chercheurs :

Il est possible que d’autres matériaux puissent présenter un liquide métastable semblable quand ils subissent des transitions reconstructives et que ce phénomène est plus répandu que nous l’avons pensé. Les résultats apporteront sans doute d’innombrables surprises dans la science des matériaux et la science planétaire dans les prochaines années.

L’étude publiée dans Nature Communications : A metastable liquid melted from a crystalline solid under decompression et présentée sur le site de la Carnegie Institution : Melting Solid Below the Freezing Point.

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