Des scientifiques ont récemment fait fondre du bismuth métal solide en liquide à une température plus basse que son point de congélation. Ce phénomène intéressant mais rarement présenté montre les découvertes encore possibles en physique en particulier et dans le monde naturel en général.
Par une liaison chimique simple entre les molécules, le changement d’état (entre le solide, le liquide et le gazeux) se déroule assez simplement – lorsqu’une substance atteint son point de congélation, elle commence à se solidifier, et lorsqu’elle atteint son point d’ébullition, elle commence à s’évaporer.
Des scientifiques ont néanmoins découvert qu’une importante perturbation sous-tendait ce changement, en réussissant pour la première fois à faire fondre du bismuth métal solide en liquide à une température plus basse que son point de congélation. Pour comprendre la nature de cette « anomalie », essayez d’imaginer une pierre se liquéfiant à des températures en dessous de 0°C.
Comme l’ont souligné les chercheurs du laboratoire de géophysique de l’Institution Carnegie de Washington, il se trouve deux types de changement d’état dans la nature est l’un est bien plus « spontané » que nous pouvons l’imaginer.
Le premier est le simple changement que nous avons appris à l’école (liquide en solide, liquide en gaz), ce mécanisme n’affecte pas les liaisons chimiques entre les molécules. Lors de ce changement, la liaison chimique ne se brise pas lorsque le matériau passe d’un état à un autre. Seules son orientation et sa taille pourront permettre à l’état physique de changer, mais cela peut être inversé (par exemple le liquide devenant solide).
Le second type est le « changement d’état en reconstruction » qui est chaotique et beaucoup moins prédictible. Dans ce type, la liaison chimique est brisée, créant un changement significatif dans la structure du matériau changeant d’état. C’est ce type que nous avons observé dans le bismuth métal. Néanmoins, cet étrange changement aléatoire est courant dans la nature, même bien plus courant que le changement « simple » auquel nous sommes habitués.
« Nous expérimentons un changement pratiquement tout le temps, mais nous en savons très peu là-dessus », a déclaré à Gizmodo Guoyin Shen, l’un des membres de l’équipe.
L’équipe de Shen a mis une pièce de cristal de bismuth dans une presse à enclume de diamant pour exercer successivement une pression forte et une pressions faible, d’une intensité allant de 3,2 GPa (un gigapascal = 10×109 pascals), soit 32 000 fois la pression atmosphérique, et l’ont abaissé à 1,2 GPa à une température de 216°C. Les indications de température sont importantes car la température de fusion du bismuth est de 271,52°C, et à des températures plus faibles le métal maintient donc son état solide.
Après que l’équipe ait mis des pièces de bismuth dans un environnement à une pression de 3,2 GPa, la pression a lentement été diminuée. Lorsque la pression est tombée à 2,3 GPa le bismuth a commencé à se liquéfier, et est resté dans cet état jusqu’à une pression de 1,5 GPa. Sous une pression de 1,5 GPa le métal a commencé à se cristalliser, et à 1,2 GPa il est revenu à l’état solide sans changer de température.
L’équipe a découvert que cet état pouvait durer plusieurs heures au point de fusion du bismuth, aussi longtemps que les conditions environnementales étaient maintenues. Ils ont appelé ce changement d’état liquide inattendu le « liquide métastable ». Il est différent d’un changement d’état où les liaisons chimiques sont inchangées.
Les chercheurs ont également découvert que ce liquide métastable se formait sur des plages de températures et de pressions semblables à celles du bismuth surfusionné, un autre changement d’état de transition auquel les scientifiques sont plus familiers.
Lorsqu’une substance est dans un état « surfusionné », elle est refroidit à une température bien plus faible que son point de congélation mais ne solidifie ou ne cristallise pas. Par exemple dans les pays où il gèle (se solidifie) souvent à une température de 0°C, l’eau peut être surfusionnée sous un certain niveau de pression à -48,3°C. En d’autres mots, elle reste à cette température une eau liquide et non de la glace.
Nous connaissons actuellement deux changements d’état de transition – ainsi que la surfusion métastable. Les chercheurs indiquent que ces deux états seraient plus courants que nous le pensons dans la nature.
Nous avons maintenant la preuve que ce phénomène existe réellement, et nous pouvons nous en inspirer pour chercher des anomalies dans d’autres matériaux – sur Terre et dans l’espace – pour nous aider à créer de nouvelles formes de la matière que nous ne connaissons pas encore.
« D’autres matériaux ont peut-être un état métastable liquide de transition, et ce phénomène est plus courant que nous le pensons. Ce résultat amènera sans aucun doute une richesse de surprises autant dans la science des matériaux que dans la science planétaire dans les années à venir. »
L’étude a été publiée dans Nature Communications.
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