Démêler la structure super complexe des liquides surfondus

Lorsqu’ils sont refroidis à leur point de congélation, la plupart des liquides deviennent solides ou cristallisent. En d’autres termes, les molécules s’arrangent d’une manière parfaitement ordonnée, ce que les physiciens appellent un cristal. Les liquides surfondus sont différents ; ils ne forment pas de tels cristaux même s’ils sont refroidis en dessous de leur point de congélation. Ces liquides sont utilisés dans de nombreuses industries, mais une compréhension approfondie de leurs propriétés fait défaut. Les chercheurs de l’Université de technologie d’Eindhoven (TU/e) révèlent maintenant la description la plus réaliste de leurs propriétés à ce jour, en utilisant – pour la première fois – des fonctions de corrélation à quatre corps. Le travail est publié dans la revue Nexus PNAS.

Regardez autour de vous. Que vois-tu? Peut-être voyez-vous des livres, des journaux et des magazines ? Ou si vous êtes à l’extérieur, vous voyez des arbres, des plantes et des champs à perte de vue. Si tout ce que vous voyez est bien rangé, cet ordre peut être agréable à l’œil, mais une fois que les objets deviennent confus ou désordonnés, cela peut être désagréable et désordonné pour beaucoup.

Dans le macromonde, il est facile de dire si un système est soigné ou désordonné, ordonné ou désordonné. Zoomer sur l’échelle des atomes et des molécules dans les substances est cependant un autre défi. Alors que les solides ont généralement une structure cristalline ordonnée, on ne peut pas en dire autant des liquides.

Liquides normaux versus liquides surfondus

Pour un liquide normal dont la température est supérieure à son point de congélation mais inférieure à son point d’ébullition, ses molécules sont constamment en mouvement, et elles sont libres d’explorer le volume qui les confine. En d’autres termes, les molécules n’ont pas de positions bien définies les unes par rapport aux autres.

Cependant, une fois que le liquide est refroidi à son point de congélation, une transition de phase se produit avec les molécules liquides s’arrangeant d’une manière très spécifique pour former un solide cristallin.

L’eau est un exemple quotidien où les molécules se déplacent librement au-dessus de zéro degré Celsius, mais sont enfermées dans une phase solide cristalline (glace) lorsque la température est inférieure à zéro degré Celsius. Cependant, la situation avec les liquides surfondus est tout à fait différente.

« Un liquide surfondu est un liquide qui peut être refroidi ou comprimé en dessous de son point de congélation sans se transformer en cristal », explique Ilian Pihlajamaa, Ph.D., chercheur dans le groupe Soft Matter & Biological Physics à TU/e.

Alors, pourquoi cela arrive-t-il ? Corentin Laudicina, Ph.D., un collègue de Pihlajamaa à TU/e ​​explique : « Dans certains cas, si le refroidissement est très rapide, le liquide peut rester à l’état liquide même si la température est inférieure au point de congélation normal. en conséquence, il possède des propriétés uniques qui peuvent être utiles pour une variété d’applications industrielles, des plastiques durables aux matériaux optiques de haute technologie. »

Aller au-delà des paires

Avec des liquides surfondus ayant une si large gamme d’applications, il serait avantageux de mieux comprendre comment les molécules des liquides surfondus s’influencent mutuellement, car ces interactions peuvent affecter de manière significative les propriétés globales des liquides.

L’un des outils les plus populaires pour décrire la structure d’un liquide est une corrélation structurelle à deux molécules ou à deux corps, qui examine comment deux molécules quelconques s’affectent ou se corrèlent l’une avec l’autre. Comme on pouvait s’y attendre par intuition, les molécules qui sont plus proches ont tendance à avoir une plus grande influence sur une molécule d’intérêt que les molécules qui sont plus éloignées de la molécule d’intérêt.

« Les corrélations à deux molécules sont utiles, mais nous aimerions en savoir plus sur l’influence de plusieurs molécules sur une molécule donnée en même temps », explique Pihlajamaa. « Au niveau fondamental, pour décrire plus en détail la structure d’un liquide, des corrélations à plusieurs molécules sont nécessaires. Aller au-delà des corrélations à deux et trois molécules fournit ces détails. »

Dans l’article publié en Nexus PNASles premiers auteurs conjoints Pihlajamaa et Laudicina, ainsi que leur superviseur Liesbeth Janssen de TU / e et Chengjie Luo de l’Institut Max Planck pour la dynamique et l’auto-organisation à Göttingen, ont dépassé les corrélations de paires conventionnelles en calculant des corrélations à plusieurs corps à l’aide de simulations et nouvelle théorie.

Défis de calcul

« La plupart des études à ce jour se concentrent uniquement sur les corrélations structurelles à deux corps, et seule une poignée d’articles ont cherché à prendre en compte des corrélations supplémentaires à trois corps. Nous sommes allés plus loin que quiconque en termes de calculs en étant les premiers à examiner quatre -corrélations corporelles », explique Janssen.

« Nous savons que les liquides surfondus ont des propriétés différentes des liquides normaux. Les lois de la physique indiquent que ces propriétés sont liées à la structure moléculaire du liquide », explique Laudicina. « Il y a peu de différence entre les corrélations à deux et trois molécules pour les liquides surfondus, mais les corrélations à quatre molécules révèlent des structures localement préférées jamais vues auparavant. »

Les travaux ont présenté aux chercheurs plusieurs défis. « Les dérivations mathématiques étaient assez longues et techniques », explique Laudicina. « Nous avons dû traiter des dizaines à des centaines de termes dans les équations, donc vérifier si cela était correct ou non représentait un défi intéressant », ajoute Pihlajamaa.

De plus, pour mesurer les fonctions de corrélation à quatre corps, les chercheurs avaient besoin de données, et en grande quantité. « Nous avons utilisé des programmes informatiques avancés sur des clusters hautes performances pour exécuter notre code développé en interne. Nos ordinateurs portables n’étaient certainement pas capables d’exécuter ce code », explique Pihlajamaa.

Vingt ans et ça compte

Pour les chercheurs, il s’agissait d’une percée importante, en particulier lorsqu’ils sont combinés, les quatre ont plus de vingt ans d’expérience de travail sur de meilleures théories pour expliquer les corrélations entre les molécules dans les liquides.

« Des percées comme celle-ci m’inspireront à continuer à travailler sur ces nouvelles idées et à améliorer les meilleures théories », déclare Janssen.

« Contribuer à la compréhension du comportement complexe des liquides denses et repousser les limites de ce qui est actuellement connu apporte un sentiment d’épanouissement et de satisfaction », ajoute Laudicina.

La compréhension plus approfondie de la structure des liquides surfondus pourrait ouvrir la voie à de nouveaux matériaux pour une application dans l’ingénierie des matériaux, les procédés de fabrication, l’ingénierie chimique et la conception de systèmes de stockage d’énergie.

« Il s’agit d’améliorer les performances, l’efficacité et la durabilité des nouveaux matériaux. Mais pour ce faire, il est important d’améliorer notre compréhension des aspects fondamentaux de ces systèmes, et notre recherche est un tremplin majeur dans la bonne direction », note Janssen.